/
Author: Аксёнова М.
Tags: издания для определенного назначения инженерное дело техника в целом справочные пособия по техническим наукам детская литература энциклопедия для детей
ISBN: 5-8483-0011-9
Year: 1999
Text
ЭНЦИКЛОПЕНИЯ
УДК 087.5:62(031) ББК 30я2
TNITED NATIONS EDICATIONAI SCIENTIFIC ANDCILTVRAL ORGANIZATION
IIEStl
INTERNATIONAL CENIERDf EDLRATIONAL SYSTEMS
МЕЖДУНАРОДНЫЙ ЦЕНТР ОБУЧАЮЩИХ СИСТЕМ
CENTRE INTERNATIONAL DES SYSTEMES DEDICATION
ICES
МЕЖДУНАРОДНАЯ КАФЕДРА-СЕТЬ UNESCO/IC* "ПЕРЕДАЧА ТЕХНОЛОГИЙ ДЛЯ УСТОЙЧИВОГО РАЗВИТИЯ"
Рекомендовано Международным центром обучающих систем (МЦОС) и международной кафедрой-сетью ЮНЕСКО МЦОС в
качестве учебного пособия.
Все тома, вышедшие в серии «Энциклопедия для детей», рекомендованы Департаментом общего среднего образования
Министерства общего и профессионального образования Российской Федерации.
Ассоциация книгораспространителей Независимых Государств. Московский городской Дворец творчества детей и
юношества. Московский детский фонд. Государственная республиканская детская библиотека наградили в конкурсе на
лучшую книгу года издательское объединение «Аванта+ » дипломом от 29.03.99 за лучший издательский проект года для
детей и юношества.
За профессиональное издательско-полиграфическое исполнение «Энциклопедии для детей» Государственный комитет
Российской Федерации по печати наградил «Издательский центр ..Аванта+ "» дипломом от 04.09.97.
Оргкомитет XI Московской Международной книжной ярмарки. Генеральная дирекция международных книжных выставок и
ярмарок наградили издательское объединение «Аванта+ » дипломом от 02.09.98 как победителя в номинации «Самый
массовый познавательный проект 1998».
Энциклопедия для детей. Т. 14. Техника / Глав. ред. Э68 М.Д. Аксёнова. — М.: Аванта+, 1999. — 688
с.: ил.
ISBN 5-8483-0011-9 (т. 14) ISBN 5-8483-0001-1
В томе «Техника» серии «Энциклопедия для детей» рассказывается о многообразном и сложном мире техники — от чопперов
из Олдувайского ущелья до космических кораблей. Особенно полно описана современная техника — автомобили, самолёты,
компьютеры, научные приборы, военная техника. Усвоить информацию помогают красочные иллюстрации, большая часть
которых выполнена специально для этого тома. Книга адресована школьникам и студентам.
УДК 087.5:62(031) ББК 30я2
«Издательский центр .Аванта+"» является правообладателем настоящего издания. Использование издания в целом или любой
его части без разрешения «Издательского центра ,.Аванта+"» влечёт ответственность в соответствии с действующим
законодательством.
ISBN 5-8483-0011-9 (т. 14) ISBN 5-8483-0001-1
«Издательский центр ,.Аванта+"». 1999
ЭНЦИКЛОПЕДИЯ ДЛЯ ДЕТЕЙ Т. 14. ТЕХНИКА
Совет директоров
М. Аксёнова Г. Храмов
Главный редактор
М. Аксёнова
Главный художник
Е. Дукельская
Методологический редактор тома
В. Володин
Ведущие научные редакторы тома
Б. Козлов
С. Транковский
Ответственные редакторы тома
И. Кудрявцева И. Русецкая
Редактирование и корректура
С. Суставова —
начальник отдела О. Еремеева —
старший редактор И. Антонова — редактор С. Бардина — редактор Е. Чеканова — редактор И.
Горовая — корректор И. Леонтьева — корректор
А. Русакова — корректор
В. Рябцева — корректор Л. Антонова — редактор
проверки
Художественный редактор
М. Ефременко
Подбор иллюстраций
А Пущина М. Радина В. Доброхотова М. Шенгелия
Изготовление оригинал-макета
Л. Харченко К. Иванов
А. Володарский Р. Сурин
Набор и считка
М. Кудрявцева —
начальник отдела Ю. Антонова Ю. Ашмарина Н. Гольдман О. Демидова Н. Липатова Т.
Поповская И. Самсонова Ф. Тахирова Е. Терёхина Н. Шевердинская О. Шевченко
Координатор
О. Торгуй
Директор
по производству
И. Кошелев
Технолог производства
Т. Любцова
Художники
М. Аверьянов
В. Бадалов
С. Балакин А Беседина М. Дмитриев А. Евдокимов А Краснов Н. Краснова Ю. Левиновский А.
Рожнов
Е. Сурикова С. Товстиади 3. Флоринская
А. Шечкин Ю. Юров
Фотографы
С. Александров 3. Василия Г. Вильчек М. Глазов Г. Дерновой Ю. Егоров П. Кривцов
В. Леонов Ю. Любцов
Г. Макарычев
А Миньков С. Перов И, Пискарев В. Родькин
В. Руйкович О. Синицына И. Стин
А. Фирсов И. Фирсов М. Фролов Д. Хазанов
С. Цветков
Т. Шахвердиев Б. Шехватов
Фотографии
и изобразительные
материалы предоставлены
Музеем М.В. Ломоносова (Санкт-Петербург); Политехническим музеем; Библиотекой Политех-
нического музея; Архивом Института истории материальной культуры; Институтом истории
естествознания и техники РАН; Музеем книги; Государственным Эрмитажем; агентством
«Фото ИТАР-ТАСС»; Архивом РАН; «Первой Образцовой типографией»; Музеем Революции;
Дмитровским историко-художественным музеем; Российской государственной библиотекой;
Музеем Вооружённых сил; Комитетом по метеоритам РАН; НПО «Машиностроение»; А.
Блохом; А. Гапоном; 3. Ивановой; А Красновым; И. Леоновой; Ю. Мазуровым; В. Рудаковым;
А. Сагаловичем; С. Транковским; С. Цветковым; Л. Шугуровым
Суперобложка
А. Рожнов 10. Юров
Шмуцтитулы
Е. Дукельская
«Аванта+» благодарит Национальное управление по аэронавтике и исследованию кос-
мического пространства США (NASA), Гидрометцентр России, НПО «Молния», А. Власова, Г.
Иванько, О. Севастьянову
«Всемирная история»
«Биология* «География* «Геология»
„ «Религии мира»
Релит ии мира» . '
, ,, (часть 2)
(часть 1)
«Астрономия»
«Искусство»
«Языкознание. «Математика» «Искусство» (часть 2)
Русский язык»
(часть I)
•Русская литература»
литература» (часть 2)
(часть 1)
«Страны. Каролы.
Цивилитаиии»
«Россия: физическая
и экономическая
теография»
«Техника»
СОДЕРЖАНИЕ
Издательство
К читателю (Гурген Григорян, Борис Козлов, Виктор Володин)........5
ИСТОРИЯ ТЕХНИКИ
НА ЗАРЕ ТЕХНИЧЕСКОЙ ЦИВИЛИЗАЦИИ
Когда и как возникла техника (Борис Козлов)................12
Орудия труда каменного века (Наталья Леонова)..............20
Что было после каменного века (Борис Козлов)...............32
Технические достижения древних земледельческих цивилизаций (Борис Козлов).34
Техника Древней Греции и Рима (Леонид Жмудь)...............45
Дополнительные очерки
Сколько лет находке? (Борис Козлов) — 16.
Уиллард Фрэнк Либби (Борис Козлов) — 17.
Что такое «моральное старение» (Борис Козлов) — 19.
Так ли примитивно ручное рубило (Наталья Леонова) — 23.
Плетение и ткачество (Наталья Леонова) — 28.
Керамика (Наталья Леонова) — 31.
Неолитическая революция (Наталья Леонова) — 32.
Колесо и колёсная повозка (Борис Козлов) — 35.
Спор между Мотыгой и Плугом (Борис Козлов) — 36.
Шадуф и водоподъёмное колесо (Борис Козлов) — 39.
Существуют ли загадки пирамид? (Борис Козлов) — 40.
Организация труда (Борис Козлов) — 41.
«Вторая природа» (Леонид Жмудь) — 45.
Архимед (Борис Козлов) — 48.
Водяная помпа (Леонид Жмудь) — 51.
Водяные часы Ктесибия (Леонид Жмудь) — 51.
«Такова природа механики,,,» (из «Математического собрания» греческого ученого Паппа
Александрийского) — 52.
Античные суда (Владимир Краснов) — 58.
СРЕДНИЕ ВЕКА И ВОЗРОЖДЕНИЕ
Техника Востока и Запада. Место встречи — Европа (Дмитрий Баюк)....61
Мастера и подмастерья (Дмитрий Баюк).....................70
Технические идеи эпохи Возрождения (Дмитрий Баюк).............72
Взлёт и падение мануфактуры (Борис Козлов).................78
Дополнительные очерки
Компас (Борис Козлов) — 62.
Великий мечтатель (Дмитрий Баюк) — 63.
Мельницы в Средние века (Борис Козлов) — 64.
Средневековое морское судоходство (Борис Козлов) — 66.
«Регистры ремёсел и торговли города Парижа». О сукноделах (Борис Козлов) — 71.
Порох и огнестрельное оружие (Дмитрий Баюк) — 73.
Великий инженер и живописец Леонардо да Винчи (Дмитрий Баюк) — 77.
НАУКА И ТЕХНИКА НОВОГО ВРЕМЕНИ
Научная революция XVII века (Борис Козлов).................80
Промышленный переворот (Борис Козлов)....................88
Кто изобрёл конвейер? (Борис Козлов)....................100
Дополнительные очерки
Лейденская банка (Борис Козлов) — 86.
Изобретение вакуумного насоса (Василий Борисов) — 91.
Токарь императора (Борис Козлов) — 93.
Русский механик и инженер Иван Кулибин (Борис Козлов) — 94.
От паруса к паровой машине (Владимир Краснов) — 96.
Что такое индустриализация (Борис Козлов) — 98.
«Титаник» (Михаил Дмитриев) — 100.
МИР СОВРЕМЕННОЙ ТЕХНИКИ
ЧТО ТАКОЕ СОВРЕМЕННАЯ ТЕХНИКА
Кто открыл дорогу современной технике (Борис Козлов).......104
Электротехника, которая изменила мир (Алексей Кротов)........111
Электронные приборы (Василий Борисов).................120
Радиолокация в годы войны и мира (Василий Борисов).........128
Лазерная техника и технология (Сергей Транковский).........131
Пионеры ракетно-космической техники (Василий Борисов)......139
Дополнительные очерки
Томас Эдисон (Василий Борисов) — 106.
Александер Белл (Василий Борисов) —108.
Вильгельм Конрад Рентген (Василий Борисов) — 110.
Изобретение электрической сварки (Василий Борисов) — 113.
Борис Семёнович Якоби (Екатерина Будрейко) — 115.
Изобретение электродвигателя (Василий Борисов) — 116.
Никола Тесла — исследователь и мечтатель (Василий Борисов) — 118.
Изобретение радио (Василий Борисов) — 124.
Жидкие кристаллы (Борис Козлов) — 126.
Как работает радиолокатор (Сергей Транковский) — 129.
ТЕХНИКА И НАУКА
Что такое фундаментальные и прикладные науки (Сергей Транковский)....142
Техника для исследования структуры материи (Сергей Транковский, Анна Шишлова,
Геннадий Дерновой).................................145
Нанотехника — технология настоящего и будущего (Сергей Транковский)..157
Технические средства исследования недр Земли (Виктор Хмелевской, Виктор Калинин) ..162
Как люди узнают тайны океана (Борис Шехватов)..................170
Техника для исследования атмосферы (Станислав Перов)...........175
Биосфера и средства её изучения (Василий Борисов)..............182
Техника космических исследований (Сергей Транковский)..........184
Международная космическая станция (Владимир Максимовский)..........193
Технология в космосе (Сергей Александров)...................195
Дополнительные очерки
Степан Тимошенко (Василий Борисов) — 143.
Изготовление реплик (Анна Шишлова) — 148.
Растровый ультразвуковой микроскоп (Анна Шишлова) — 148.
«Живые» магниты (Анна Шишлова) — 151.
Мотор размером с молекулу и «разумная пыль» (Юрий Фролов) — 158.
Аппаратура для обработки геофизических данных (Виктор Хмелевской, Виктор Калинин) — 163.
Геофизические исследования скважин (Виктор Хмелевской, Виктор Калинин) — 165.
«Мир» (Борис Шехватов) — 174.
Чтобы составить точный прогноз погоды... (Ирина Мерцалова) — 176.
Щит Земли (Станислав Перов) — 178.
«Вояджер» (Сергей Александров) — 186.
Программа «Аполлон» (Владимир Максимовский)— 188.
Станция «Мир» (Владимир Максимовский)— 190.
«Марс Патфайндер» (Сергей Транковский)— 192.
Инструмент для космонавтов (Сергей Александров) — 196.
Космический радиотелескоп КРТ (Сергей Александров) — 197.
ВЕЩЕСТВО И ЭНЕРГИЯ
Добыча природных веществ и превращение их в материалы (Юрий Кривоносов).199
Конструкционные материалы (Сергей Евсюков).....................207
Гальванотехника (Екатерина Будрейко).........................211
Материал-универсал (Давид Рохленко)........................212
Алмазы в технике (Сергей Евсюков)..........................220
«Товарищество братьев Нобель» в России (Абрам Блох)...............222
Энергетика сегодня и,,, всегда (Алексей Кротов)................224
Как была изобретена паровая турбина (Василий Борисов).............227
Тепловая электростанция: и светит, и греет (Григорий Полевичек)......229
Атомные электростанции (Сергей Транковский)....................230
Работает вода (Григорий Полевичек).........................231
Гидроэлектростанция на Гольфстриме (Давид Рохленко)...............235
Энергия ветра (Юрий Фролов).............................238
Геотермальные электростанции (Давид Рохленко)..................240
Солнце, свёрнутое бубликом (Дмитрий Баюк)......................241
«Водородная экономика» (Борис Козлов)........................245
Энергия из космоса (Сергей Александров)......................246
Вечный соблазн вечного движения (Сергей Транковский)..............248
Дополнительные очерки
Доменная печь (Юрий Кривоносое) — 200.
Прокатный стан (Юрий Кривоносое) — 204.
Конвертер (Юрий Кривоносое) — 204.
Что такое металлы (Юрий Кривоносое) — 210.
Топливные элементы (Алексей Кротов) — 226.
Приливные электростанции (Давид Рохленко) — 233.
ОТ ЗАМЫСЛА ДО МАШИНЫ
Как создаётся техника (Александр Аристов)....................255
Дизайн (Игорь Зайцев)................................263
Машины делают машины (Александр Аристов).....................267
Роторно-конвейерные линии академика Кошкина (Сергей Александров).....271
Патентное право (Борис Козлов)..........................273
Дополнительные очерки
Язык чертежа (Александр Аристов) — 256.
Деталь и её чертёж (Сергей Транковский) — 257.
Понятие об измерениях (Александр Аристов) — 260.
Что такое качество (Александр Аристов) — 262.
Стайлинг (Александр Краснов) — 264.
Вторая жизнь машин и их деталей (Сергей Евсюков) — 268.
Из истории патентного права (Борис Козлов) — 274.
Как Утёнок Дональд стал изобретателем (Сергей Транковский) — 2 74.
Бесполезные изобретения (Юрий Фролов) — 2 75.
Сколько стоит «ноу-хау» (Борис Козлов) — 276.
ИНФОРМАЦИЯ И СВЯЗЬ
Почта, телеграф, телефон,,, (Сергей Александров).............278
Чем люди пишут (Сергей Евсюков).........................281
Как сегодня печатают книги (Елена Павлова, Игорь Кошелев)..........283
Компьютеры (Николай Хохлов).............................290
Компьютерные сети (НиколайХохлов)........................301
Сеть сетей (Николай Хохлов).............................304
Дополнительные очерки
Почему мобильный телефон называется сотовым? (Сергей Александров) — 281.
Линотип (Борис Козлов) — 285.
Ризограф — маленькая типография (Елена Павлова) — 286.
Ксерокопирование (Семён Федосеев) — 288.
Не то карты, не то платы (Николай Хохлов) — 295.
Принтеры (Семён Федосеев) — 296.
Модем (Николай Хохлов) — 299.
ДВИЖЕНИЕ — ЭТО ЖИЗНЬ
Автомобиль (Лев Шугуров)..............................308
Рождение автомобиля (Василий Борисов)....................329
Автомобиль будущего (Лев Шугуров)........................335
Велосипед (ОлегКурихин)..............................337
Мотоцикл (Олег Курихин)..............................340
Трамвай, троллейбус, фуникулёр (Алексей Ардашев).............346
Железнодорожный транспорт (Николай Кудрявцев)................350
Магнитоплан (Сергей Александров).........................361
Подземный городской транспорт (Елена Павлова)................363
Суда и корабли (Сергей Балакин).........................365
Морские суда (Владимир Краснов).........................372
Речные суда (Сергей Балакин)..........................380
Техника для навигации (Владимир Краснов)....................388
Порты и доки (Владимир Краснов).......................393
Гражданская авиация (Сергей Цветков).....................396
После войны..............................................410
Авиация в СССР...........................................416
Вертолёты (Вадим Михеев)..............................423
Экраноплан и экранолёт (Юрий Макаров)....................427
Дирижабль (Михаил Павлушенко, Ирина Русецкая)................428
Транспорт «Земля—космос» (Сергей Александров)...................439
Дополнительные очерки
«Что в имени тебе моём...» (Лев Шугуров) — 309.
Гоночные автомобили (Лев Шугуров) — 312.
Специальные автомобили (Лев Шугуров) — 316.
Стальной конь (Елена Павлова) — 318.
Сельскохозяйственные комбайны (Елена Павлова) — 321.
Дифференциал (Лев Шугуров) — 322.
Автомобильные двигатели (Лев Шугуров) — 324.
Сцепление (Лев Шугуров) — 327.
Подвеска (Лев Шугуров) — 327.
Гидропривод (Лев Шугуров) — 328.
«Самоход вполне русского производства» (Олег Курихин) — 331.
Рудольф Дизель (Василий Борисов) — 333.
Из истории железных дорог (Николай Кудрявцев) — 351.
Туннель под Ла-Маншем (Михаил Дмитриев) — 359.
Железные дороги некоторых зарубежных стран (Николай Кудрявцев) — 360.
Учебные парусные суда (Сергей Балакин) — 368.
Яхты (Владимир Краснов) — 369.
Якоря (Сергей Балакин) — 3 72.
«Голубая лента Атлантики» (Сергей Балакин) — 373.
Промысловые суда (Сергей Балакин) — 375.
Суда на воздушной подушке (Сергей Балакин) — 382.
Суда на подводных крыльях (Сергей Балакин) — 384.
Шлюзы (Владимир Краснов) — 387.
Маяки (Владимир Краснов) — 390.
Авиация два тысячелетия назад (Сергей Транковский) — 396.
Братья Уилбер и Орвилл Райты (Василий Борисов) — 398.
Покорение Атлантики (Сергей Цветков) — 401.
Как устроен самолёт (Анатолий Маркуша) — 402.
Многомоторные самолёты и русские авиаконструкторы (Василий Борисов) — 404.
Кто быстрее? (Сергей Цветков) — 406.
Пассажирский самолёт Ли-2 (Игорь Боечин) — 416.
Оранжевый «чёрный ящик» (Генри Лифшиц) — 418.
Пассажирский самолёт Ту-334 (Игорь Боечин) — 420.
Ил-96Т (Игорь Боечин) — 420.
Амфибия Бе-200 (Игорь Боечин) — 423.
Вертолёт Ми-8 (Игорь Боечин) — 425.
От игрушки к вертолёту (Валим Михеев) — 426.
Рождение воздухоплавания (Михаил Павлушенко, Ирина Русецкая) — 429.
«Летучая барка» (Михаил Павлушенко, Ирина Русецкая) — 430.
К Луне на пузырях и бутылках (Михаил Павлушенко, Ирина Русецкая) — 430.
«Аэростат металлический управляемый» (Михаил Павлушенко, Ирина Русецкая) — 431.
Военная «профессия» дирижабля (Михаил Павлушенко, Ирина Русецкая) — 434.
Гибель дирижаблей-гигантов (Михаил Павлушенко, Ирина Русецкая) — 436.
Дирижабли «Аэростатика» (Александр Кирилин) — 437.
«Союз-У» (Сергей Александров) — 440.
«Протон» (Сергей Александров) — 441.
Сверхтяжёлый ракета-носитель Н1 (Сергей Александров) — 442.
«Сатурн-5» (Сергей Александров) — 442.
ОТ РАЗВЛЕЧЕНИЯ К УВЛЕЧЕНИЮ
Фотографическая техника (Сергей Транковский)...................444
Голография — «полная запись» (Сергей Транковский)................452
24 кадра в секунду (Сергей Транковский)......................457
Техника телевидения (Александр Ганон)........................459
Эволюция кинозвука (Игорь Киселёв)..........................470
Аудиотехника. От Hi-Fi к Hi-End (Александр Ганон) ................473
Лазерный диск (Елена Павлова)............................478
Электромузыкальные инструменты и синтезаторы (Александр Ганон).........480
«Художества огненныя», или фейерверки (Алексей Ардашев).............484
Дополнительные очерки
Будущее голографии (Сергей Транковский) — 456.
Кабельное телевидение (Александр Ганон) — 460.
Устройство кинескопа — телевизионной трубки (Александр Ганон) — 462.
Механическое телевидение (Александр Гапон) — 463.
Владимир Зворыкин (Василий Борисов) — 464.
Устройство иконоскопа (Александр Ганон) — 465.
Видеотехника (Сергей Транковский) — 466.
Компакт-диски XXI века (Елена Павлова) — 479.
Что такое MIDI (Александр Ганон) — 483.
Как устроен фейерверк (Алексей Ардашев) — 487.
ВОЕННАЯ ТЕХНИКА
Чем воюет пехота (Семён Федосеев)...........................488
Стрелковое оружие. Взгляд изнутри (Семён Федосеев).................498
Военная техника сухопутных войск XXI века (Семён Федосеев)............505
Стена огня (Алексей Ардашев).............................509
Какая бывает артиллерия (Семён Федосеев)......................513
Самоходные артиллерийские установки (Василий Маликов)..............518
Боевые ракеты (Сергей Александров)......................523
Танки (Игорь Шмелёв)................................528
Бронеавтомобили (Игорь Шмелёв)..........................538
Техника инженерных войск (Алексей Ардашев)...................544
Наземное минное оружие (Владимир Краснов)....................547
Техника воздушно-десантных войск (Сергей Александров)............550
Военная авиация (Сергей Цветков)........................555
Оружие противовоздушной обороны (Сергей Александров, Семён Федосеев).....577
Военно-морской флот (Сергей Балакин).....................581
Надводные корабли (Сергей Балакин).......................582
Подводные лодки (Игорь Боечин)...........................594
Морское оружие (Сергей Балакин)..........................604
Оружие массового поражения (Владимир Краснов)................609
Техника «тайной войны» (Алексей Ардашев).....................614
Дополнительные очерки
Оружие, покорившее мир (Семён Федосеев) — 490.
Какое ещё бывает оружие? (Семён Федосеев) — 494.
Гранатомёт «Муха» (Игорь Боечин) — 495.
Гранатомёт «Таволга» (Игорь Боечин) — 495.
Калибры (Семён Федосеев) — 498.
Патроны (Семён Федосеев) — 500.
Автомат АЕК (Игорь Боечин) — 505.
Штурмовая «Гроза» (Игорь Боечин) — 506.
Снайперское крупнокалиберное оружие (Игорь Боечин) — 506.
Электромагнитные ускорители (Семён Федосеев) — 507.
«Стволы для космонавтов» (Игорь Боечин) — 508.
Чем стреляет артиллерия (Семён Федосеев) — 514.
Огонь на войне (Алексей Ардашев) — 516.
Самодвижущиеся орудия (Василий Маликов) — 519.
История боевых ракет (Сергей Транковский) — 524.
Зенитная ракета 9М96Е (Сергей Александров) — 52 7.
Что дальше? (Сергей Александров) — 551.
Несколько слов о вертолётах (Сергей Александров) — 552.
Броня «крылатой пехоты» (Сергей Александров) — 554.
Палубная авиация (Сергей Цветков) — 559.
Первое управляемое оружие (Сергей Цветков) — 562.
Воздушные танкеры (Сергей Цветков) — 566.
Су-ЗОМК (Игорь Боечин) — 570.
Боевые вертолёты Ка-50 и Ка-52 (Сергей Транковский) — 572.
Вертолёт Ка-60 (Сергей Александров) — 573.
Авиация XXI века (Сергей Цветков) — 5 74.
Истребитель Су-37 «Беркут» (Игорь Боечин) — 576.
«Чёрная птица» (Сергей Цветков) — 577.
Два поколения российских зенитных ракетных комплексов (Сергей Александров, Семён Федосеев)
— 578.
Боевые корабли речных флотилий (Сергей Балакин) — 589.
Что есть что (Игорь Боечин) — 596.
Шестовые мины (Сергей Балакин) — 608.
Как отравили Балтику (Владимир Краснов) — 610.
Уничтожение химического оружия (Владимир Краснов) — 611.
Где испытывали ядерное оружие (Владимир Краснов) — 612.
Ксерокс с «закладкой» (Юрий Фролов) — 617.
Туннель под границей (Алексей Ардашев) — 619.
Стреляющий портсигар (Игорь Боечин) — 622.
Ручной гранатомёт «Непрядва» (Игорь Боечин) — 623.
КАКАЯ ЕЩЁ БЫВАЕТ ТЕХНИКА
Время, которое всегда с тобой (Григорий Полевичек).............624
Транспорт внутри зданий (Алексей Ардашев)..................627
Прачечная на дому (Григорий Полевичек).....................634
Техника для текстильной промышленности (Евгения Евсюкова).........635
Сапог на конвейере (Елена Якуб).........................643
Полицейская техника (Алексей Ардашев)......................649
Дополнительные очерки
От печи Емелиной к микроволновой (Григорий Полевичек) — 633.
Самовар и электрочайник (Григорий Полевичек) — 633.
Кухонный комбайн (Григорий Полевичек) — 633.
Ковроткачество (Евгения Евсюкова) — 638.
Рентгеновская диагностика (Сергей Александров) — 646.
Ультразвуковая диагностика (Андрей Елков) — 64 7.
Операции без скальпеля (Андрей Елков) — 647.
Если организм не справляется (Сергей Александров) — 648.
«Субмарина» в артерии (Юрий Фролов) — 648.
Электрический автомат (Игорь Боечин) — 649.
Шестизарядный «Носорог» (Игорь Боечин) — 650.
Дубина — оружие правопорядка (Алексей Ардашев) — 652.
ЧЕЛОВЕК, ТЕХНИКА, ПРИРОДА
Человеческие проблемы техники (Борис Козлов)................654
Космическая безопасность (Сергей Александров)...............659
Человек и машина (Алексей Кротов)......................661
Завещание президента Римского клуба (Борис Козлов)...........663
Дополнительные очерки
Цикл Ревнивцева, или Куда денется мусор? (Борис Козлов) — 656.
Эргономика (Борис Козлов) — 662.
ПРИЛОЖЕНИЕ
Предметный указатель ..............................666
Именной указатель.................................672
Советуем прочитать...............................685
К ЧИТАТЕЛЮ
«Прежде всего, следует сказать, о чём исследование и дело какой оно науки» — так начинается
одна из книг великого энциклопедиста древности, греческого философа Аристотеля. Том,
который вы держите в руках, называется «Техника». И если следовать Аристотелю, нужно
вначале ответить на, казалось бы, простой вопрос: что такое техника? Но сделать это не так-то
легко.
Каждый из возможных ответов по-своему правилен, но не окончателен. Да и как можно
окончательно определить предмет, если он постоянно изменяется, развивается? Может быть, в
тот самый момент, когда вы читаете эти строки, где-то совершается открытие, которое через
какие-нибудь 10— 15 лет коренным образом изменит образ жизни всего человечества.
Мир современной техники не менее многообразен и сложен, чем природный. Но в отличие от
природы этот безграничный мир люди создавали собственными руками, для своих надобностей
на протяжении всей своей истории. Уже самые древние люди умели делать простейшие
технические приспособления. Постепенно, вместе с развитием техники, изменялся и сам
человек.
Если представить историю человечества в виде дороги, где один миллиметр пути соответствует
году, то всё время от возникновения техники (изобретения первых каменных орудий) до наших
дней уложится примерно в три километра. Земледелие и
Техника может представлять собой орудия труда для изготовления других орудий труда в виде
инструментов, машин, производственного оборудования разных типов; к ней относятся также
методы и способы действия. В последнем смысле понятие техники выходит за рамки
инженерной техники: оно охватывает также организационную технику и системотехнику, но,
кроме того, и технику нанесения мазков кистью, которую применяет художник, или технику
дыхания, которую практикует певец, т. е. все специальные методы, позволяющие лучше
достигать чего бы то ни было.
Ханс Закссе, современный немецкий философ
Каждый исторический период может только тогда иметь правильное представление о своей
технике, если он имеет столь же верное представление о человеке и его месте в мире. Если
человек лишь Homo Faber (человек делающий), тогда он крайне опасен. Homo Faber —
полезная составная часть человека, только если и поскольку человек признан как Homo sapiens
(человек разумный).
Алоиз Хунинг, профессор Дюссельдорфского университета (Германия)
5
Если открытое море шумит у ваших неуютных утёсов, вы должны построить волнолом и
создать удобную гавань; если грязь, а за ней болезни опустошат ваши дома, вы должны отвести
к себе воду из горных рек и дать свежему воздуху свободно гулять по улицам города; если от
голода бледнеют чьи-то губы и истощается тело, вы обязаны создать машины, чтобы возделать
степи и осушить болота, заставить колоситься хлеба на прежде бесплодных просторах; вы
должны научиться выжимать мёд и масло из каменных скал. Всё это и тысячи таких же вещей
мы должны делать постоянно — теперь и в будущем — в том великом хозяйстве — мире, в
котором мы живём. И всё это — дело инженера.
Джон Рескин, инженер
скотоводство, керамическая посуда, изделия из меди и бронзы, письменность появятся только
на последних десяти метрах этого пути. Великие гробницы фараонов — египетские пирамиды,
металлургия и железный топор встретятся лишь за несколько метров до конечного пункта —
нашего времени. Падение Римской империи и начало Средневековья расположатся в полутора
метрах от сегодняшней отметки, а возникновение книгопечатания — чуть далее полуметра.
На расстоянии около четверти метра — патент Дж. Уатта на изобретённый им универсальный
паровой двигатель. Массовым же применением машин в промышленности будут отмечены
только последние 15—20 сантиметров на шкале истории. Развитие машиностроения было бы
невозможно без дифференциального и интегрального исчисления, поэтому начало
использования высшей математики в технических расчётах можно считать рождением
профессий инженера и конструктора.
Особенно значительные изменения в технике произошли в первой половине нашего столетия
— периоде, по историческим меркам чрезвычайно коротком. В дециметре от нашего времени
по шкале истории Дж. Томсон доказал существование электрона. Появление электрических
лампочек Лодыгина, Яблочкова и Эдисона, автомобилей Даймлера и Бенца, самолёта братьев
Райт, радио Попова и Маркони, вакуумных и полупроводниковых приборов уместятся на
отрезке длиной в пять сантиметров. Если же вы захотите нанести на эту «картинку» даты
создания видеокассет, компакт-дисков, персональных компьютеров, первый полёт человека в
космическом корабле и первую лунную экспедицию, появление процессоров Pentium,
всемирной компьютерной сети Интернет и многих других современных технических
изобретений, то придётся использовать линейку с миллиметровыми делениями.
Взглянув на получившееся изображение, легко обнаружить, что чем ближе к нашим дням, тем
гуще расположены отметки технических изобретений. Да и сами изобретения становятся всё
более сложными. Ещё в первой четверти XX столетия в Москве и Ленинграде легче было
нанять для разъездов по городу конный экипаж, чем найти автомобиль — такси. Пожарные
команды в этих городах выезжали на пожар на телегах. Лошади мчались вскачь, трубач трубил,
предупреждая прохожих, медные каски сияли на солнце, гром, стук — зрелище
Паровая машина Уатта. Макет.
Политехнический музей. Москва.
6
было чудесное! А в середине столетия представить себе жизнь людей без техники стало
невозможно.
Изложить во всех подробностях историю техники в одной книге весьма затруднительно.
Поэтому в первом разделе данного тома приводится лишь историческая панорама развития
техники — от пещер каменного века до каменных джунглей нашего времени. Из статей,
помещённых здесь, вы узнаете, когда, где и как были сделаны самые важные технические
изобретения, каким образом они влияли друг на друга и на нашу жизнь.
Основная же часть книги посвящена современной технике. Она сопровождает нас всю жизнь,
но много ли мы о ней знаем? Ведь каждый в отдельности имеет дело только с ограниченным
числом технических устройств и сооружений. Гораздо больше остается «за кадром». Например,
все привыкли к электрическому освещению и обогреву. Но кому удалось увидеть вблизи
атомный реактор или побывать на АЭС? Гигантские плотины гидроэлектростанций, нефтяные
вышки знакомы большинству только по фотографиям и телевизионным передачам. Мы ездим в
поездах, на автомобилях и мотоциклах, охотно пользуемся электронными приборами, но вряд
ли многие из нас разбираются в их устройстве.
Как же сориентироваться в бесконечном море технических знаний, накопленных
человечеством за много веков? Как отобрать только самое важное — то, что должно быть
известно каждому? И как разместить всё это в одной книге?
Проще всего информация о технике расположена в специальных словарях и энциклопедиях: по
названиям, в алфавитном порядке. Если читатель уже достаточно хорошо разбирается в
предмете и хочет лишь уточнить какую-то деталь, имя, дату, это удобно. В книге же,
предназначенной для первого чтения, статьи должны быть упорядочены иначе — тематически.
В начале второго раздела этого тома рассказывается о важнейших областях современной
техники, ставших характерными приметами XX в., — электротехнике, радиотехнике,
электронике, лазерной и космической технике. Затем следуют статьи о технике, используемой
учёными для познания Земли, её природы, недр, океана и атмосферы, для проникновения в
глубины микромира или далёкие уголки Вселенной. О технике, с помощью которой добывают,
перемещают и перерабатывают природное сырьё и материалы, энергию и информацию,
говорится в следующих двух главах книги. За ними следуют рассказы о «превращении»
получаемых учёными знаний в промышленную продукцию, в машины и приборы — от
возникновения замысла в голове конструктора до его реализации в готовом изделии,
воплощения в металле и других материалах.
Отдельная глава содержит разнообразную информацию о технике, сокращающей расстояния и
ускоряющей нашу жизнь: об автомобилях, морских и речных судах, самолётах, вертолётах и
дирижаблях. В главе «От развлечения к увлечению» вы найдёте интересные сведения о
фотографической, аудио- и видеотехнике,
...Бастионы технического совершенства, экономической и политической эффективности ни в
коей мере не ограждают нашу культуру от сползания в варварство. Варварство тоже может
пользоваться всеми этими средствами. Оснащённое с таким совершенством, варварство станет
только сильнее и деспотичнее... Варварство может идти в ногу с высоким техническим
совершенством, оно может идти в ногу со всеобщим и повсеместным школьным обучением.
Судить о повышении культуры по снижению безграмотности — это устарелая наивность.
Определённый минимум школьных знаний ещё никоим образом не гарантирует наличия
культуры. Если бросить взгляд на общую духовную ситуацию нашего времени, то вряд ли
можно будет назвать излишне мрачной её оценку в следующих выражениях. Повсюду пышно
цветут иллюзии и заблуждения. Как никогда прежде, люди кажутся рабами слова, лозунга,
чтобы поражать ими друг друга наповал... Нет такого прибора, которым можно было бы
измерить, каков процент поглупевших и одураченных и больше ли он прежнего, но сама
глупость стала могущественнее, чем раньше, она выше восседает на троне и злее вредит...
Самое досадное — это заметное повсюду безразличие к истине, достигающее своей
кульминации в открытом публичном восхвалении политического обмана.
Йохан Хёйзинга, нидерландский историк
7
Задача техники — преобразовывать природу и мир человека в соответствии с целями,
поставленными людьми на основе их нужд и желаний. Лишь редко люди могут выжить без
своей преобразующей деятельности. Без техники люди не смогли бы справиться с окружающей
их природной средой. Техника, следовательно, — это необходимая часть человеческого
существования на протяжении всей истории...
Алоиз Хунинг
Следствием развития техники для повседневной жизни является уверенность в обеспеченности
всем необходимым для жизни, но таким образом, что удовольствие от этого уменьшается,
поскольку эту обеспеченность ожидают как нечто само собой разумеющееся... Всё становится
просто материалом, который можно в любую минуту получить за деньги; в нём отсутствует
оттенок лично созданного. Предметы пользования изготавливаются в громадном количестве,
изнашиваются и выбрасываются, они легко заменимы. От техники ждут создания не чего-то
драгоценного, неповторимого по своему качеству, независимого от моды из-за его ценности в
жизни человека, не предмета, принадлежащего только ему, сохраняемого и
восстанавливаемого, если он портится. Поэтому всё связанное просто с удовлетворением
потребности становится безразличным, существенным только тогда, когда его нет. По мере
того как растёт масштаб обеспечения жизни, увеличивается ощущение недостатка и угрозы
опасности...
Карл Ясперс, немецкий философ
электромузыкальных и других инструментах, используемых в профессиональной работе и
повседневной жизни.
Много нового можно узнать из главы «Военная техника»: о самых современных видах
вооружений и защиты — от ручного стрелкового до межконтинентального ракетного оружия,
от техники воздушно-десантных войск до устройства надводных и подводных кораблей
военно-морского флота. Специалисты написали для вас и о средствах массового поражения: о
ядерном и химическом оружии. Возможно, впервые в литературе для детей рассказывается о
технике «тайной войны» — средствах, используемых разведчиками и контрразведчиками.
В главе, «Какая ещё бывает техника» повествуется о современной медицинской технике и о
технических средствах, применяемых полицейскими и милиционерами. Здесь же вы сможете
прочитать об устройстве разнообразной бытовой техники и машин, обслуживающих человека.
Заключительная глава называется «Человек, техника, природа».
Если бросить беглый взгляд на историю техники, то становится понятно, что её производство
занимает важное, но не всегда одинаковое место в истории. Сначала техника была главным
оружием в борьбе за существование. Техническая революция в неолите, а затем изобретение
металлургии позволили человечеству постепенно улучшить условия жизни. Учёные и
инженеры Нового времени считали, что главная их задача — способствовать увеличению
производства вещей, разнообразной техники, облегчающей труд и жизнь. Для этого они
решили подчинить себе Природу.
Научная и промышленная революции дали человечеству высокоразвитую науку, массовое
машинное производство, наукоёмкую технику, высокие технологии. Человек научился
производить в изобилии разнообразные товары. Новейшая техника стала не только нужной и
полезной, но и доступной. Но возникла проблема иного рода...
Наше время, говорят экономисты, — время изобилия. Современная техника прекрасна,
массовое производство открыло перед обществом небывалые возможности. Остаётся только
научиться правильно пользоваться достижениями науки и техники.
Да, без техники не обойтись. Но ведь современное массовое производство губительно для
живой природы, а значит — и для человека, возражают экологи. Техники выпускается слишком
много, она угнетает биосферу. Отходы промышленности накапливаются на Земле быстрее, чем
идёт их переработка. Особенно опасны радиоактивные и токсичные химические вещества,
которых становится всё больше. Технические сооружения, огромное количество машин и
других технических средств, сельскохозяйственные угодья, мусорные свалки постепенно
вытесняют естественные
8
ландшафты, сокращают сферу природного. Массовое производство техники, особенно военной,
может задушить жизнь на планете Земля!
Некоторые учёные называют современное общество потребительским, потому что потребление
продуктов, вещей, техники превратилось у многих в смысл и цель жизни. Достойна ли такая
цель человека? Привело ли техническое изобилие к постановке новых, великих целей, к иному
пониманию смысла жизни? Сделала ли современная техника людей более добрыми,
человечными, более счастливыми, чем раньше? Да и сколько всего техники нужно человеку?
Как часто её нужно менять? Для чего существует техника?
Десятки специалистов написали эту книгу для того, чтобы вы узнали о технике как можно
больше. Но готовых ответов на все поставленные выше вопросы вы здесь не найдёте.
Возможно, кто-то из читателей тома «Техника» попытается ответить на них сам. Или поставит
новые, ещё более сложные...
9
НА ЗАРЕ ТЕХНИЧЕСКОЙ ЦИВИЛИЗАЦИИ
КОГДА И КАК ВОЗНИКЛА ТЕХНИКА
МИФЫ О БОГАХ, ГЕРОЯХ И ТЕХНИКЕ
Для наших далёких предков вопросы «когда возникла техника?», «кто был её создателем?»
просто не существовали. Они «хорошо знали», как всё произошло. Правда, знание это было
своеобразным: каждый народ передавал из поколения в поколение свои легенды, свои мифы
(от греч. «ми'тос» — «предание», «сказание»), В них говорилось, что технику придумал и
создал в незапамятные времена не человек, а боги. Да и как могло быть иначе, если сам человек
— их творение?
До нас дошло немало древних сказаний о происхождении и введении ремёсел, земледелия и т.
д. В мифах Древнего Египта, например, бог плодородия Хнум создал человека на гончарном
круге из куска глины. Похожие мифы о сотворении человека существовали и у многих других
народов. Самые древние из дошедших до нас письменных сведений о богах — творцах техники
относятся к концу IV — началу III тысячелетия до н.э. Их оставили строители пер-
Египетский бог плодородия Хнум создаёт людей на гончарном круге.
12
Шумерский бог Энки, хозяин подземных и поверхностных вод, создатель и защитник
людей.
Египетский бог Птах, создатель мира, покровитель искусств и ремёсел.
вых в истории человечества городов — шумеры.
Они считали, что главные технические средства — плуг, мотыгу и форму для кирпича —
изготовил «владыка земли», хозяин Мирового океана и пресных подземных вод — бог Энки.
Он научил людей строить каналы, разводить сады и огороды, выращивать лён. Ткачество же —
творение богини Утту. А один из главных богов Шумера — Энлиль дал людям зерно для
посева и изобрёл колесо.
Немного позднее записали свои мифы и египтяне, почитавшие множество богов, и среди них
Птаха — создателя всего мира, покровителя искусств и ремёсел. Во времена расцвета Древней
Греции его отождествляли с божественным кузнецом — обитателем Олимпа Гефестом.
В других странах и в другие времена изобретение первых технических устройств
приписывалось легендарным героям-полубогам. Так, в мифах Древнего Китая герой Фуси
сплёл рыболовные сети, Суйжэнь научил людей пользоваться огнём, а Шэньнун сделал первую
лопату, положил начало земледелию, вырыл первый колодец...
В Финляндии и Карелии были сложены руны (эпические песни) о великом кузнеце
Ильмаринене. Это он выковал небосвод, Солнце и Луну, изготовил для своей невесты
чудесную мельницу Сампо, которая могла намолоть столько хлеба, соли и денег, сколько
захочет хозяйка. Жаль только, что его замечательное изобретение утонуло в море, ставшем с
тех пор солёным.
Древние греки придумали миф о Прометее. В нём рассказывается, как, создавая животных,
боги наделили их толстыми шкурами, острыми клыками и рогами, чтобы они не страдали от
холода и могли защищаться от врагов. Человек же остался «наг и не обут, без ложа и без
оружия». Несчастья не знающих ремесла и не имеющих огня людей так тронули Прометея, что
он решился украсть для них огонь из обиталища богов на горе Олимп. Он же научил их строить
дома, корабли, изготовлять технику.
Трагична легенда о великом афинском мастере Дедале — строителе и изобретателе столярных
инструментов. По велению Миноса — владыки острова Крит — он построил лабиринт для
чудовищного быка Минотавра. Но вскоре Дедал навлёк на себя гнев царя и, спасаясь от
преследования, бежал с острова вместе с сыном Икаром. Для побега мастер сделал крылья из
перьев, скреплённых воском. Однако, когда цель была уже близка, Икар слишком приблизился
к Солнцу. Его жар растопил воск, крылья распались, а юноша упал в море и погиб.
Со временем люди начали сомневаться в достоверности мифов. Римский поэт и философ Тит
Лукреций Кар, живший в I в. до н.э., в поэме «О природе вещей» утверждал, что изготовлять и
применять технику людей научила нужда, а не боги.
После крушения Античного мира, которое произошло более 1,5 тыс. лет назад, мифы Древней
Эллады стали восприниматься как прекрасные сказки. Приблизиться к истинному
Древнегреческий герой Прометей несёт огонь людям.
13
Дедал и Икар. Агатовая камея. I в. до н.э.
Национальный музей. Неаполь.
пониманию истории возникновения и развития техники удалось лишь к началу XX столетия.
КАК УЗНАЮТ О ТОМ,
ЧТО БЫЛО
НА САМОМ ДЕЛЕ
Очень долго люди не имели достаточно ясного представления о том, как на Земле появился
человек и какой была самая первая техника. До середины XIX в. даже большинство учёных
придерживались точки зрения о божественном происхождении человека, как об этом говорится
в священных текстах. И только с возникновением новых исторических наук появились первые
достоверные знания о развитии материальной культуры и о происхождении человека. Одна из
таких наук — археология (от греч. «арха'йос» — «древний» и
Археологические раскопки древнего города Микены. Общий вид. Южная Греция.
«логос» — «учение») изучает историю по материальным остаткам жизни и деятельности
людей. Один из её разделов — древняя археология — исследует вещественные памятники
самого отдалённого прошлого. К ним относятся как остатки различных предметов и
технических устройств (орудий труда, оружия, предметов быта), так и целые комплексы
(могильники, поселения, клады). Сохранились они потому, что оказались погребёнными под
землёй. Археологические экспедиции занимаются раскопками на местах стоянок первобытных
людей, изучают развалины древних городов и крепостей. Иногда учёным удаётся найти
окаменелости — остатки растений, костей или их отпечатки, следы деятельности животных и
людей, в частности кострища и даже наскальные изображения. Такие находки очень редки,
ведь с тех пор прошли сотни тысяч, а иногда даже миллионы лет.
Из разнообразных технических изобретений самого отдалённого прошлого людей лучше всего
сохранились изготовленные первобытным человеком каменные орудия. На их рабочей
поверхности археологи обнаруживают многочисленные царапины — трассы, которые
позволяют понять, как этими орудиями пользовались. Именно так удалось вычислить
направление и даже силу ударов, когда-то наносившихся кремнёвыми рубилами и топорами.
Для того чтобы точнее узнать, насколько эффективно было то или иное орудие и много ли
времени уходило на его изготовление, археологи ставят эксперименты: воспроизводят образцы
древнейшей техники и технологию её применения. По изменениям технологии обработки
орудий, сделанных в разное время, учёные узнают, как постепенно росло мастерство
первобытных людей, улучшались технические приёмы и средства, которые они применяли.
На рубеже XVIII—XIX вв. знаменитый французский зоолог Жорж Кювье (1769—1832) основал
палеонтологию (от греч. «палайо'с» — «древний» и «о'нтос» — «сущее) — науку о вымерших
растениях и животных,
14
обо всех проявлениях жизни в геологическом прошлом Земли. В палеонтологию вошли
палеоботаника (от грен, «палайо'с» и «бота'не» — «растение») и палеозоология (от грен, «зоо'н»
— «животное» и «логос»), изучающие соответственно ископаемые остатки растений и
животных. По одной только пыльце (а она сохраняется лучше, чем другие остатки растений)
учёный-палеоботаник может определить и вид растения, и время, когда оно росло. Это знание
применяется при датировке археологических находок споро-пыльцевым методом. Позже, уже в
середине XIX в., возникла наука о происхождении и развитии человека — антропология (от
грен, «а'нтропос» — «человек» и «логос»). Один из её разделов — палеоантропология —
изучает антропогенез (от греч. «антропос» и «ге'несис» — «зарождение»), т. е. происхождение
человека, первоначальное развитие труда,
речи и общества. Палеоантропологи исследуют ископаемые костные останки древнейших
людей.
Казалось бы, что можно узнать по редчайшим находкам окаменевших остатков костей —
частиц скелета и черепа, стопы или отдельных зубов? Но каждая такая находка бесценна. По
остаткам крышки черепа, например, палеоантропологи устанавливают объём черепной
коробки, а значит — величину и даже некоторые особенности строения мозга существа,
жившего миллионы лет назад. А исходя из этого, делают выводы о том, могло ли оно говорить,
«по-человечески» мыслить. По строению зуба и челюсти учёный определяет, чем питались
наши далёкие предки, было ли у них внешнее сходство с современными людьми. По
поверхности коренных зубов узнаёт, кому они принадлежали. Дело в том, что у
человекообразных обезьян и людей эта поверхность иная, чем у остальных приматов.
Кости животных, окаменевшие растения, их споры и пыльца, найденные рядом с останками
древнейшего человека, «рассказывают» о том, в каких климатических условиях он жил, на
каких зверей охотился. Полезными оказываются даже окаменевшие бытовые отходы,
строительный и хозяйственный мусор, зола и прочие следы человеческой деятельности,
обнаруженные в районе стоянок первобытных людей. Например, по количеству выброшенных
в мусорные кучи костей животных палеозоологи могут установить, сколько мяса первобытный
человек съел на этой стоянке, по остаткам рыбных костей — какое место в жизни людей
занимала рыбная ловля.
Иногда археологи не могут понять, что именно они нашли, каково назначение этого предмета.
Тогда на помощь приходит этнография (от греч. «э'тнос» — «племя», «народ» и «графо» —
«пишу») — наука, изучающая происхождение народов, их быт и культуру. С конца XIX в.
серьёзное внимание этнографов привлекают обычаи, традиции и особенности
Так выглядят пыльцевые зёрна растения Cryptomeria japonica
под электронным микроскопом (увеличение 4000раз).
Древние золотые украшения, найденные при раскопках захоронения.
V в. до н.э.
Музей истории. Гаага.
15
СКОЛЬКО ЛЕТ НАХОДКЕ?
Найденные археологами костные останки, образцы древней техники и предметы быта мало что
значат для науки, если нельзя определить их возраст. Поэтому датировка находок — одна из
важных задач археологии. Специалисты различают два вида датировки: относительную и
абсолютную.
При относительной датировке находку соотносят с другими связанными с ней предметами
или событиями. Например, при раскопках в каком-то слое земли нашли каменные орудия
определённого типа, а в слое, находящемся глубже, — орудия иного типа. Ясно, что более
глубокий слой древнее расположенного выше. Значит, и орудия в нём старше. Такой способ
датировки называют стратиграфией (от лат. stratum — «слой» и грен, «гра'фо»). Суть ещё
одного способа относительной датировки — типологического — довольно проста: если в
разных местах найдены предметы одного типа, то и возраст их примерно одинаков.
Существуют и иные методы относительной датировки.
Много сил положили учёные на разработку способов абсолютной датировки. Известны
дендрохронологический, термолюминесцентный,
археомагнитный, обсидиановый, радиоуглеродный (см. дополнительный очерк «Уиллард
Фрэнк Либби») и другие методы. Все они, так или иначе, используют достижения
естествознания и технических наук.
Дендрохронология (от греч. «де'ндрон» — «дерево», «хро'нос» — «время» и «логос») основана
на подсчёте числа годовых колец, образующихся при росте деревьев. При
термолюминесцентном методе наблюдают свечение накалённых до 400—500 °C образцов
почвы и керамики. Установлено: чем древнее образец, тем ярче свечение. Современные же
почвы и керамика при такой температуре вообще не светятся. В археомагнитном методе
используется свойство глины намагничиваться в геомагнитном поле, а при обжиге навсегда
сохранять магнитное поле, имевшееся в ней в тот момент. Оказывается, магнитное поле Земли
периодически исчезает, а южный и северный магнитные полюса как бы меняются местами.
Измерив силу и направление магнитного поля, запечатленного, скажем, в кирпиче или образце
керамики, можно определить, когда и даже где он был обожжён. Конечно, нужно знать, каким
было магнитное поле в разных местах Земли в те или иные исторические эпохи.
Геофизикам это известно. Так, в период от 3,06 до 2,8 млн. лет назад, на который приходятся
самые ранние находки костных останков древнего человека, полярность геомагнитного поля
менялась не менее четырёх раз.
Обсидиановый метод датировки позволяет устанавливать возраст орудий, изготовленных из
вулканического стекла — обсидиана. В каменном и бронзовом веках эта горная порода
чёрного, красного или коричневого цвета считалась весьма ценным материалом для
изготовления орудий труда, так как легко обрабатывалась, образуя на изломе очень острую
режущую кромку. Измеряя в образцах из обсидиана или из богатых ураном минералов следы
расщепления радиоактивного элемента урана, можно узнать, когда эти орудия были
изготовлены.
Каждый из известных сегодня методов имеет свои достоинства и недостатки, границы
применения, характерные погрешности. А потому учёные стараются использовать не какой-то
один, а все возможные и подходящие для данного случая способы. Это повышает надёжность и
точность датировки. Продолжается работа и над созданием новых методов и технических
средств хронологии древних предметов.
культуры, сохранившиеся от далёкого прошлого. Оказалось, что с помощью этих знаний
нередко можно объяснить назначение загадочных археологических находок. В частности,
археологам долго было неясно, с какой целью древние люди аккуратно вырезали в рогах оленя
цилиндрические отверстия. Такие находки встречались в Африке, Сибири и во многих других
местах. Этнографы подсказали, что даже в XIX в. некоторые северные народы и индейские
племена использовали очень похожие устройства для выпрямления древка стрелы. С помощью
этнографии археологи узнали и о том, как древние люди добывали огонь.
ЗАГАДКИ
ДРЕВНЕЙШЕГО ПРОШЛОГО
Несмотря на достижения науки, в истории первобытной техники и в палеоантропологии до сих
пор немало загадок и тайн. Особенно трудно «выстроить» события древнейшего прошлого
людей в последовательный временной ряд. Решая эту задачу, учёные не раз ошибались,
принимая за останки прямых предков человека кости их дальних «родственников». Много лет
специалисты считали самым древним предком человека рамапите'ка*. Сейчас ему отвели
другое место: он предок не человека, а орангутана — чело-
* Рамапитек (от Рама — имени главного героя индийского эпоса и греч. «пи'текос» —
«обезьяна») — ископаемая человекообразная обезьяна, жившая 8—12 млн. лет назад. Её
костные останки найдены в Южной Азии, Восточной Африке, Европе. Скорее всего, рамапитек
не принадлежал к эволюционной ветви, ведущей к человеку.
16
векообразной обезьяны, живущей в лесах островов Калимантан и Суматра. В 1856 г. в долине
Неандерталь, вблизи города Дюссельдорф в Германии, рабочий каменоломни нашёл черепную
крышку, кусок плечевой кости и некоторые кости конечностей. Они напоминали человеческие,
УИЛЛАРД ФРЭНК ЛИББИ
Известный американский физико-химик Уиллард Либби родился в 1908 г. Его отец,
американский фермер, окончил всего три класса школы и, возможно, именно поэтому
постарался, чтобы сын, мечтавший стать горным инженером, поступил в Калифорнийский
университет в Беркли. Уже студентом Уиллард изменяет детской мечте: увлекается
математикой и химией. После окончания университета и аспирантуры он приступает к
изучению радиоактивных изотопов. Изотопы (от греч. «и'зос» — «равный», «одинаковый» и
«то'пос» — «место») — разновидности химических элементов, у которых ядра атомов содержат
одинаковое число протонов, но разное число нейтронов.
Химические свойства разных изотопов одного элемента одинаковы, а вот физические —
различаются, хотя и ненамного. Особенность радиоактивных изотопов — нестабильные ядра
атомов. Со временем они распадаются, испуская альфа-, бета- и гамма-лучи.
Радиоактивные изотопы можно обнаружить по их излучению. Но точное измерение малых
уровней радиации — задача технически сложная. Решить её и создать соответствующий
прибор удалось Либби. Это было только начало работ, принёсших учёному всемирную
известность.
В 1939 г. установили, что при бомбардировке атмосферы космическими лучами на высоте 15
км возникает поток нейтронов. Азот, которого в воздухе примерно 78 %, поглощая нейтроны,
превращается в изотоп углерода. В ядре атома этого изотопа 8 нейтронов, а не 6, как у
обычного углерода. Но самое главное — углерод-14 радиоактивен.
Изотоп быстро окисляется. Так образуется радиоактивный углекислый газ, усвояемый
растениями в процессе фотосинтеза.
Однако на этом приключения радиоактивного изотопа не заканчиваются. Вместе с растениями
углерод-14 попадает в организм животных и людей. Оказавшись в костях и мягких тканях,
радиоактивный углерод так и остаётся в них. Оттого-то все живые организмы радиоактивны.
Для здоровья это неопасно: уровень такой естественной радиации очень мал.
После гибели растений и животных углерод-14 перестаёт в них накапливаться. Но уровень
радиации с течением времени падает: атомы изотопа, испускающие радиоактивные лучи,
постепенно распадаются. Чем больше времени прошло после смерти, тем меньше атомов
углеро-да-14 в останках. Продолжительность существования радиоактивных изотопов
определяется периодом полураспада — промежутком времени, за который происходит распад
половины данного количества вещества. Период полураспада углерода-14 был определён в
1940 г.: он равен 5730 годам.
Либби первым понял, что эти открытия помогут определить время, прошедшее с момента
гибели организма. Учёный изобрёл и изготовил специальный счётчик для измерения
радиоактивности образца, возраст которого нужно установить. Сначала Либби определил
радиоактивность образцов красного дерева и пихты; их возраст определяли и по числу годовых
колец. Затем измерил радиоактивность археологической находки — куска дерева от
погребальной ладьи фараона (точный возраст дерева ранее установили другими способами).
Проверка показала, что новый радиоуглеродный метод
датировки археологических находок весьма точен и надёжен.
Способ Либби быстро стал основным методом установления абсолютного возраста образцов,
относящихся к последним 70 тыс. лет. В частности, с его помощью вычислили возраст ткани, в
которую когда-то завернули манускрипты, найденные в районе Мёртвого моря.
Радиоуглеродный метод позволил точно определить время, когда горели костры на стоянке
древних людей в Стоунхендже. (Некоторые учёные считают Стоунхендж древней
обсерваторией.) Позже оказалось, что в отдельных случаях радиоуглеродный анализ
«омолаживает» находки, но на это ввели поправки.
В 1960 г. Уилларду Либби была присуждена Нобелевская премия «за введение метода
использования углерода-14 для определения возраста в археологии, геологии, геофизике и
других областях науки». Уиллард Либби умер в 1980 г.
Радиоактивный углерод 14С образуется в результате бомбардировки нейтронами п атомов
азота 14N. При этом выделяется водород 1Н. Атом углерода 14 С распадается с испусканием
электрона ё(beta-частииа) и снова становится азотом 14N.
17
Луис Лики. Фотография. 1961 г.
Одним из важнейших результатов эволюции человекообразных обезьян стало появление
кисти руки с противопоставленным большим пальцем.
но всё же отличались от них. Позднее похожие кости были найдены рядом с костями мамонта,
шерстистого носорога и других ископаемых животных. Но что самое интересное — здесь же
оказались и оббитые каменные орудия! Находки породили ожесточённые споры, которые
длились десятилетия. Одни учёные считали живших 200—35 тыс. лет назад неандертальцев
потомками питекантропов, останки которых обнаружил голландский антрополог Эжен Дюбуа
на острове Ява в 1891 — 1893 гг., и предками современных людей. Другие же признавали их
только родственниками человека, произошедшими от общих с людьми предков. Сегодня
большинство исследователей склоняются к мнению, что неандертальцы — боковая ветвь
развития гоминид (отлат. homo — «человек») — семейства из отряда приматов. К гоминидам
принадлежат человек современного типа и ископаемые люди.
Не сходятся мнения учёных и по некоторым другим важным вопросам происхождения людей,
техники, языка и человеческого общества. Поэтому любая новая находка археологов или
открытие палеоантропологов способны круто изменить уже сложившиеся представления о том,
что же в действительности происходило на заре истории человека и техники.
РОЖДЕНИЕ ТЕХНИКИ,
ИЛИ КТО БЫЛ
ПЕРВЫМ «ИНЖЕНЕРОМ»?
Техника, т. е. искусственные, целесообразно создаваемые материальные средства деятельности
людей, могла появиться только после того, как длившееся миллионы лет развитие животных
достигло определённого уровня. К тому времени предки первобытного человека —
преа'нтропы — уже научились использовать в качестве орудий природные предметы, сначала
случайно, потом систематически. Уже «готовые» рога, зубы и крупные кости стали для
преантропов прекрасным средством защиты и нападения. Но такие подручные средства не
были техникой.
Одно из главных отличий человека от животного — умение не только использовать подручные
средства, но и придумывать, изготовлять и применять технику. Когда же и как она появилась?
Какими были и кем сделаны самые первые технические средства? Учёные полагают, что
предками изобретателей техники были южные обезьяны — австралопитеки (от лат. australis
— «южный» и греч. «пи'текос»). Эти существа, ростом около 1,5 м и весом примерно 40—50 кг,
жили от 5,5 до 1 млн. лет назад. Удивительно, но они ходили не на четвереньках, как обезьяны,
а прямо, как человек.
Останки австралопитека африканского, уже похожего на человека, но ещё не умевшего
изготовлять каменные орудия, первым нашёл в 1922 г. английский археолог Раймонд Дарт в
Южной Африке. Он-то и назвал свою находку южной обезьяной. Австралопитек африканский
и считается настоящим предком человека.
К виду австралопитеков относится также австралопитек афаренсис — самый древний из
известных сегодня прямых предков человека, живший около 4 млн. лет назад. Но и он, и его
ближайшие «родственники» — австралопитеки робустусы и бойсеи (их сначала называли
зинджа'нтропами — от «аз-Зиндж», древнеарабского названия Восточной Африки) — тоже не
умели изготовлять каменные орудия. Останки существа ещё одного подвида
австралопитековых в начале 60-х гг. XX в. впервые обнаружил английский антрополог и
археолог Луис Лики в ущелье Олдувай после 29 лет раскопок. В 196 5 г. сын Лики-старшего
Джонатан нашёл кости существа того же подвида. Сначала археолог решил, что это предок
зинджантропа, и потому назвал его презинджа'нтропом. Но затем учёные поняли, что, хотя
презиндж на самом деле древнее зинджа, именно он создал самые древние в мире орудия из
оббитой гальки, найденные в Олдувайском ущелье. А раз так, Лики и
18
другие специалисты «перекрестили» презинджантропа, дав ему новое, красивое и гордое
латинское имя — Homo habilis, т. е. человек умелый.
Так кто же всё-таки создал самую первую технику: предок человека или сам человек? Вопрос
под стать известной загадке о яйце и курице. Разгадка проста: человек и техника, как курица и
яйцо, немыслимы друг без друга, ибо одно предполагает наличие другого. Тот, кто изобрёл
первое техническое устройство, и есть первый человек.
ОТ ЧЕЛОВЕКА УМЕЛОГО К ЧЕЛОВЕКУ РАЗУМНОМУ
Умение изобретать, делать и использовать технику — такой же признак человека, как хождение
на двух ногах, способность к мышлению, речи и совместному труду. Иначе говоря, человек,
техника, язык, общество и совместный труд возникли в результате одного процесса —
постепенного превращения древнейших гоминид в людей современного типа.
Многие животные способны к сложным действиям, очень похожим на разумные. Бобры
сооружают плотины. Искусно сделаны термитники, пчелиные соты, птичьи гнёзда... Однако,
создавая их, животные действуют инстинктивно — как диктует им врождённый, безусловный,
рефлекс. Строя жилище, они не изобретают, а лишь воспроизводят действия,
запрограммированные природой для каждого конкретного вида. Потому-то гнездо пеночки в
конце XX в. выглядит так же, как и века назад.
В отличие от животных человек для удовлетворения своих потребностей использует орудия
труда — своеобразные продолжения рук, во много раз увеличивающие их возможности. При
этом люди действуют не инстинктивно, а сознательно, разумно: заранее определяют цель,
обдумывают способ и средства её достижения, подбирают необходимый материал, намечают
последовательность операций. Иначе говоря, ещё до того, как приступить к изготовле-
Строгая геометрия пчелиных сот —результат инстинктивной деятельности пчёл.
нию техники, человек как бы создаёт её в голове, в мыслях, т. е. разрабатывает проект того, что
ему нужно. А проектирование — уже творчество, сознательное созидание нового, того, чего в
природе ещё не существовало. На такие действия до человека не было способно ни одно
животное. Изготовление и применение техники изменили взаимоотношения человека с
природой. Люди не только
ЧТО ТАКОЕ «МОРАЛЬНОЕ СТАРЕНИЕ»
Есть у техники одна особенность: однажды созданная, техника выполняет свои задачи до тех
пор, пока полностью не выйдет из строя. А случиться это может и через месяц, и через тысячу
лет. «Рабочие свойства» гири, найденной археологами в развалинах Вавилона, сегодня те же,
что и в древности: положенная на весы, она прекрасно справится со своей ролью. Каменным
топором, лежащим под стеклом в музее, можно рубить лес. Не возбраняется пользоваться
чернильницей и очинённым гусиным пером при выполнении домашнего задания... Почему же
никому всерьёз не приходит в голову так делать? Не потому, что эти предметы изменились
физически, а потому, что люди уже давно пользуются иной — метрической — системой мер,
более удобными топорами и ручками. Технику, сохранившую свои качества, но «потерявшую
репутацию», называют морально устаревшей.
Моральное старение техники — явление столь же древнее, как и она сама. Археологи
утверждают: когда много тысяч лет назад люди поняли, что обожжённая на огне глиняная
посуда гораздо удобнее каменной, они какое-то время пользовались и той и другой. Но
каменная посуда морально устарела — и более лёгкая, красивая, дешёвая керамика победила
её, видимо уже окончательно.
19
берут у неё готовую пищу, растительные волокна, куски дерева или камня, но и производят из
природных веществ новые, искусственные материалы и предметы. Изготовление каменных, а
затем и металлических ножей, топоров, деревянной и глиняной посуды — это уже
материальное производство, без которого человечество не может существовать.
Сначала материальное производство мало влияло на природу. Но с каждым тысячелетием
объём искусственно созданных технических изделий увеличивался и потребности человека в
естественных материалах возрастали.
Производство требовало всё больших умственных и физических затрат, и люди, развивая
навыки предков, живших стаями или стадами, постепенно начали объединять свои трудовые
усилия. А общий труд был невозможен без дальнейшего развития культуры и главного
средства передачи информации — языка. Так происходило становление человека и
формировалось его сознание. Человек умелый превращался в человека разумного (Ното
sapiens).
ОРУДИЯ ТРУДА КАМЕННОГО ВЕКА
С самого начала своей истории человек создавал вокруг себя искусственную среду обитания, и
пользовался он при этом различными техническими средствами — орудиями труда. С их
помощью он добывал пищу (охотился, ловил рыбу, собирал всё, что дарила природа), шил
одежду, мастерил домашнюю утварь, строил жилища, создавал культовые сооружения и
произведения искусства.
Первобытные люди изготовляли орудия труда из разных материалов: камня, вулканического
стекла, кости, дерева, растительного волокна. Камень — исключительно прочный материал:
изделия из него могут сохраняться сотни тысяч лет, тогда как костяные и деревянные предметы
испытания временем не выдерживают.
Возраст древнейших каменных орудий труда — 2,9 млн. лет (стоянка Хадар в Эфиопии) и 2,5
млн. лет (стоянки в Кении и Танзании). А вот древнейшие деревянные находки (стоянки
Клектон в Англии, Торральба в Испании и Леринген в Германии) значительно моложе — им не
более 400 тыс. лет. Поэтому рассказать о технических достижениях эпох, особо удалённых во
времени, может только камень.
Наконечник копья. Верхний палеолит. Франция.
КАК ДЕЛАЛИ
КАМЕННЫЕ ОРУДИЯ ТРУДА
Из всех пород камня древние мастера чаще выбирали широко распространённый в природе
кремень, реже — кварцит, сланец, яшму, обсидиан (вулканическое стекло), мраморовидный
известняк, туф и др. Первые каменные орудия примитивны, но даже для их изготовления
первобытному человеку требовалось совершить ряд сложных последовательных действий. А
стремился он получить, прежде всего, режущую кромку.
В течение древнего каменного века, или палеолита (от греч. «палайо'с» и «ли'тос» —
«камень»), навыки человека постепенно развивались, совершенствовались его мозг и рука. Так,
арха'нтропы (от греч. «арха'йос» и «а'нтропос») наносили по выбранному обломку камня или
гальке от трёх до семи целенаправленных ударов. В результате они получали около 10—45 см
режущей кромки на 1 кг обработанного сырья. На следующей стадии антропогенеза, когда
существовали палеоантропы (от греч. «палайо'с» и «а'нтропос»), число ударов при обработке
камня увеличилось до 50—80 и более, а длина режущей кромки — до 220 см на 1 кг. Человек
20
разумный — неоантроп (от греч. «не'ос» — «новый» и «а'нтропос») — выполнял уже около
250—280 последовательных операций, а длина режущей кромки составляла 250 см на 1 кг.
Камень обрабатывали каменными, костяными или деревянными отбойниками. Это
дисковидные или яйцевидные предметы длиной от 10 до 30 см. С их помощью древний мастер
отбивал от заготовки (куска горной породы, плитки или гальки) всё «лишнее», чтобы добиться
искомой формы. Такая техника называется оббивкой.
В тех случаях, когда получить достаточно острый край или точный контур изделия одной
оббивкой не удавалось, с «полуфабриката» многочисленными лёгкими ударами снимали
тонкие мелкие сколы. Подобную технику оформления и подправки изделия именуют ретушью.
Чтобы выбранный обломок породы было удобнее обрабатывать, а ещё лучше — сразу сделать
несколько одинаковых заготовок, умельцы каменного века придумали следующее. С куска
камня сбивали выступы и известковую корку, придавая форму, по которой его легко расколоть
на достаточно стандартные фрагменты — сколы. Различают короткие сколы — отще'пы и
длинные — пластины. Специально подготовленный камень-заготовку называют я 'дрищем или
нуклеусом (от лат. nucleus — «ядро»), а способы его расщепления на заготовки-фрагменты —
техникой раска-
лывания. Появление нуклеуса стало важной технологической находкой: теперь можно было
легко получать изделия стандартного размера.
Среди памятников каменного века, начиная с самых ранних, встречаются крупные камни без
следов оббивки или ретуши. На их гранях хорошо видны следы многочисленных ударов —
видимо, они служили подставками при обработке камня. Условно их называют наковальнями.
По технике изготовления каменных и костяных орудий, способам подготовки и раскалывания
нуклеуса, а также по распространённости определённых типов изделий учёные делят каменный
век на несколько эпох.
ПАЛЕОЛИТ
ОЛДУВАИСКАЯ ЭПОХА. Олдувайская эпоха палеолита (около 3 млн. — 900 тыс. лет до н.э.)
выделена совсем недавно (в 60-х гг. XX в.) благодаря исследованиям английских археологов
Мэри и Луиса Лики в Олдувайском ущелье (Танзания, Юго-Восточная Африка). Здесь найдены
каменные орудия и костные остатки первого человека Homo habilis (в переводе с латыни
«человек умелый»). Этот период очень длителен, на его протяжении жил не только
примитивный хабилис, но и вполне «продвинутые» по сравнению с ним питекантроп (от греч.
«пи'текос» и «а'нтропос») и сина'нтроп ] от лат. Sina — «Китай» и греч. «а'нтропос»), стоянки
которых обнаружены на юге Европы и в Азии. Для всех стоянок характерны общий набор
орудий и их сходная обработка.
Древнейшие орудия примитивны и грубоваты, что объясняется отсутствием необходимых
трудовых навыков и несовершенством физического строения людей того времени, особенно
руки. Первым мастерам было трудно наносить меткие удары, точно обрабатывать кость или
камень. Тем не менее, набор олдувайских орудий довольно разнообразен. В нём есть
практически все типы изделий каменного века. Однако некоторые из них представлены
многочисленными
Грубое орудие на массивном отщепе.
*Архантропы — древнейшие люди (Homo habilis, питекантроп, синантроп и др.), жившие в
олдувайскую и ашельскую эпохи.
21
сериями, другие же широко распространились лишь в последующие эпохи. Факт такого
изобретения «про запас» поистине удивителен, но пока не находит объяснения.
Большинство олдувайских орудий изготовлено из гальки различных пород, поэтому данную
эпоху часто называют галечной. Кроме галек использовали и массивные обломки горных
пород. Размер олдувайских орудий невелик — всего 8—10 см. Основной приём обработки —
оббивка. Ретушь встречается реже. Наиболее типичны для олдувайской эпохи три вида орудий:
многогранники, чопперы и орудия на отщепах.
Многогранники — округлые, грубо оббитые камни со многими гранями — служили ударными
орудиями для приготовления растительной и животной пищи. Рубящими и режущими
орудиями были чопперы. Их делали из крупных галек. С помощью оббивки заостряли один
конец, а противоположный оставляли неотделанным — чтобы чоппер было удобно держать в
руке. Встречаются чопперы двух видов: с лезвием, оббитым с одной стороны, и с лезвием,
обработанным с двух сторон. Последние часто называют чоппингами.
После оббивки камней оставалось много отщепов. Из них уже сравнительно легко делали
разнообразные орудия, ими разделывали охотничью добычу, резали мясо. Для изготовления
орудий на отщепах использовали и заготовки, сколотые с нуклеусов. Во всех случаях нужную
форму изделия и острые края получали посредством ретуши.
Нуклеусы олдувайского периода очень примитивны. Это бесформенные куски камня с
немногими следами сколов. Их ещё трудно отличить от чопперов и других грубых орудий того
времени.
АШЕЛЬСКАЯ ЭПОХА. Следующая эпоха палеолита — ашельская (900 тыс. — 100 тыс. лет
до н.э.). На стоянках в Сент-Ашёле (предместье города Амьен) во Франции впервые были
найдены изделия, характерные для этой эпохи. Их создавали по-
прежнему архантропы, но, судя по костным остаткам, в физическом отношении древние люди
стали более совершенными. Хронологически ашель разделяется на древний, средний и
поздний.
Уже в древнем ашеле (900 тыс. — 350 тыс. лет до н.э.) появляются новые типы орудий —
ручное рубило и колун. Они значительно крупнее олдувайских многогранников и чопперов.
Ручные рубила достигают в длину
Ручное рубило. Ашель. Франция.
35 см и имеют овальную, сердцевидную или миндалевидную форму. Один конец их заострён с
двух сторон, края тщательно обработаны. Другой конец, называемый пяткой, как правило, не
обрабатывали — чтобы рубило удобно было держать. Форма ручных рубил достаточно
стандартна: видимо, человек к тому времени приобрёл устойчивые навыки обработки кремня.
Колун — ещё один распространённый тип орудия, оббитого с двух сторон. Он имеет
трапециевидную или треугольную форму с почти параллельными краями. Лезвие колуна
ретушью не обрабатывалось. Предположительно эти орудия служили для раскалывания
твёрдых материалов — кости и дерева.
И ручные рубила, и колуны существовали на всём протяжении ашеля.
В ашельскую эпоху широко использовали и орудия на отщепах. Предназначались они для
резания, скобления, прокалывания и прочих трудовых операций. Их формы, весьма
разнообразные, зависели от исходных заготовок, а, следовательно, определялись контурами
нуклеусов и техникой раскалывания.
* Слово «чоппер» происходит от английского chop — «рубящий удар»; chopper — «нож
мясника».
22
ТАК ЛИ ПРИМИТИВНО РУЧНОЕ РУБИЛО
Учёные считают, что ручное рубило было универсальным орудием. Им рубили дерево и кость,
разделывали туши убитых животных, выкапывали съедобные корни растений и мелких
животных из нор. В Санкт-Петербургском институте истории материальной культуры есть
лаборатория первобытной техники. Здесь проводят особые исследования —
экспериментальным путём выясняют, как древние люди создавали и использовали каменные
орудия. Опыты Карельской экспедиции 1960 г. доказали, что процесс изготовления из берёзы
или ольхи деревянной палицы толщиной не более 10 см при помощи ручного рубила занимал
меньше 1 ч, а обработка концов охотничьей рогатины — лишь 10—15 мин. Так что каменные
орудия были вполне эффективны.
В период древнего ашеля техника раскалывания во многом сходна с олдувайской. Её называют
кле'ктонской (по стоянке Клектон в Англии). Нуклеусы того времени грубые и бесформенные.
Такими же грубыми были и фрагменты-заготовки, поэтому при изготовлении орудия
использовалась ретушь.
Резкие изменения произошли в позднем ашеле (350 тыс. — 100 тыс. лет до н.э.). Впервые
обнаружили иначе расколотые нуклеусы на стоянке Леваллуа-Перре под Парижем, отсюда и
название новой техники — леваллуа'. Эта техника позволяла получать много заготовок (до 70
штук) достаточно правильной и к тому же заданной формы. Отщепы и пластины, скалываемые
с нуклеуса, выходили овальными или треугольными; дальнейшая их обработка была очень
несложной и не требовала много времени.
Найденные нуклеусы оббиты весьма тщательно. По форме они напоминают панцирь черепахи,
и поэтому их называют черепаховидными. Появление такого типа заготовок породило первое
массовое, можно даже сказать поточное, производство. Человек, имевший в запасе нуклеус
леваллуа, уже не тратил время на подбор подходящей заготовки. Из «панциря черепахи» он мог
в любое время и без особого труда сделать необходимое орудие — копьё для охоты, нож или
скребло для выделки шкуры.
К ашельской эпохе относятся уникальные деревянные находки: остриё копья (рогатины),
вырезанного из тиса (стоянка Клектон); конец рогатины, похожий на клектонское остриё
(стоянка Торральба, Испания). Близ города Лерингена (Германия) среди костей древнего слона,
между его рёбрами, была найдена целая рогатина длиной 215 см. Чтобы придать дереву
большую прочность, концы рогатин обычно обжигали.
МУСТЬЕ. Следующая эпоха палеолита — мустьерская, или мустье' (100 тыс. — 40 тыс. лет до
н.э.). Названа она так по месту находки характерного комплекса орудий — гроту Ла Мустье во
Франции. В те времена первобытные люди расселились по территории всего Старого Света;
известны стоянки мустьерского человека даже за Северным полярным кругом. Люди той эпохи
более совершенны в физическом и интеллектуальном отношении по сравнению с жившими в
ашельскую эпоху. Их именуют палеоантропами или неандертальцами. По мнению учёных, они
и есть предки современного человека — Homo sapiens (в переводе с латыни «человек
разумный»),
В эпоху мустье широко распространяется леваллуаская техника раскалывания нуклеуса,
заготовки для изделий выглядят более стандартными и менее массивными. Важное событие —
возникновение отжимной ретуши. С помощью отжи'мника (небольшого прямоугольного или
круглого стержня из кости, рога или дерева) от заготовки отделяли маленькие чешуйки. Ретушь
наносили не только на края — часто ею покрывали всю поверхность изделия, и оно
становилось более удобным и красивым. А, кроме того, люди могли теперь изготовлять самые
разнообразные
I Л-
ОтАниание.
23
по форме и достаточно прочные края и лезвия каменных орудий.
В период мустье появляются новые виды орудий труда, одновременно совершенствуются те,
что существовали ранее. По данным археологов, тогда насчитывалось более 90 видов орудий.
Это говорит о том, что началась специализация человеческой деятельности и для определённых
работ потребовались соответствующие инструменты. С одной стороны, выделилось охотничье
вооружение, с другой — орудия для хозяйственно-бытовых работ.
«Визитная карточка» той эпохи — остроконечники и скрёбла. Остроконечники — массивные
каменные изделия миндалевидной или треугольной формы с прямыми или слегка выпуклыми,
обработанными ретушью краями. Листовидные острия по форме напоминают удлинённый
лист дерева, отретушированный с двух сторон. Лима’сы — более короткие острия с выпуклыми
краями — также обрабатывались с двух сторон.
И остроконечники, и острия традиционно считаются предметами охотничьего вооружения: они
слу-
Остроконечник. Мустье. Франция.
жили частью составных орудий — тяжёлых охотничьих копий или дротиков с деревянным
древком. С ними ходили на слонов, мамонтов, шерстистых носорогов, бизонов и других
крупных животных.
Скребло — достаточно крупное изделие, асимметричное в плане; форма, расположение и
количество лезвий весьма разнообразны. Употребляли это орудие для скобления, в том числе
для обработки шкур.
Скобели, зубчато-выемчатые орудия, отщепы и пластины с ретушью использовали с разными
целями: ими обрабатывали дерево и кость, резали, строгали, сверлили, выделывали шкуры
животных.
В мустьерскую эпоху орудия начинают делать и из кости. Обработка этого материала
распространена ещё не очень широко, но на стоянках того периода уже встречаются простые
костяные острия и шилья. Так, на крымской пещерной стоянке Киик-Коба обнаружили крупное
шилообразное орудие из кости дикой лошади.
ВЕРХНИЙ, ИЛИ ПОЗДНИЙ, ПАЛЕОЛИТ. Это последний период палеолита (40 тыс. — 10
тыс. лет до н.э.). На исторической арене появляется Homo sapiens. Техника обработки камня и
кости становится необычайно высокой, развивается домостроительство, рождается яркое,
выразительное искусство. Биологическое формирование человека на этом этапе заканчивается.
Одно из важнейших технических достижений позднего палеолита — призматическая техника
раскалывания заготовки. Опыт многих тысячелетий убеждал человека в том, что удлинённая
заготовка (т. е. нуклеус), по форме напоминающая призму или конус, чрезвычайно удобна в
работе и позволяет экономно расходовать материал. А это было немаловажно, учитывая
скромные запасы сырья. С такого нуклеуса снимали узкие прямые пластинки, из которых
изготовляли орудия самого разного назначения: наконечники дротиков, копий и, возможно,
стрел; резцы, скребки, ножи, проколки, свёрла. Теперь для тру-
24
довой операции мастер брал не одно, а несколько орудий и использовал их последовательно.
Набор орудий того времени необычайно богат — учёные насчитывают более 200 типов. По
сравнению с предшествующими эпохами орудия позднего палеолита меньше, изящнее.
Появились и новые их виды, которые стали важным шагом в развитии техники. Это резцы и
вкладышевые орудия.
По своему назначению и конструкции рабочей кромки древний резец похож на современный
токарный. Острая режущая кромка, образованная резцовым сколом, делала его незаменимым
для работы с твёрдыми материалами. Им резали кость, бивень мамонта, дерево, толстую кожу.
Без него было бы невозможно изготовлять костяные наконечники копий, гарпуны, шилья,
иголки, лопаточки для выминания кожи, рукоятки и основы для вкладышевых орудий,
статуэтки людей и животных, украшения. На многочисленных гравированных изделиях из
рога, бивня и кости со стоянок Западной и Восточной Европы, Сибири отчётливо видны
конические канавки — следы резца.
Одно из самых распространённых орудий в верхнем палеолите — скребок. Обычно он имел
округлое отретушированное лезвие. На протяжении многих тысячелетий, от мустье до
железного века, этот инструмент использовали для выделки шкур и кожи. Даже в наше время
народы Севера обрабатывают пушнину, как правило, каменными скребками, а не железными:
металлические чаще портят шкуру, особенно тонкую.
В верхнем палеолите уже существовала специализированная пушная охота — на песца, волка,
росомаху и даже зайца. Большое разнообразие пушнины и кож требовало специальных
инструментов для их выделки. Скребками производили одну из основных операций —
мездрение, т. е. шкуры и кожу очищали и обезжиривали. Без этого нельзя шить одежду и обувь,
изготовлять сумки, мешки, котлы и другую тару, покрывать шкурами жилище.
Чаще всего работали скребками без рукоятки, движениями «на себя». Шкуру растягивали на
земле, закрепляли её колышками или расстилали на колене, затем удаляли мездру с остатками
мяса. Рабочий край скребков быстро изнашивался. Заготовки, из которых эти орудия делали,
были длинными, и потому, когда скребок становился тупым, его подправляли, и не один раз.
После мездрения и обработки золой шкуры и кожи сушили,
*Мездра — слой шкуры (подкожная клетчатка, остатки мяса), отделяемый при выделке кожи.
25
а затем выминали с помощью костяных лопаточек и лощил. Кроили шкуры ножами и резцами.
Шили изделия из кожи и меха с помощью мелких острий, проколок и костяных игл. Остриями
называют не определённый тип изделий, а орудия с общим признаком — острым
ретушированным концом. Большие острия, вероятно, использовали для работы с грубыми и
толстыми шкурами таких животных, как бизон, носорог, медведь, дикая лошадь. Одежду из них
не шили, а вот для устройства крыш и других хозяйственных целей они были, по-видимому,
необходимы. Кроме того, крупные острия могли служить в качестве наконечников копий и
стрел.
Прокопки — орудия с выделенным ретушью относительно длинным и острым жальцем или
несколькими жальцами. Ими прокалывали кожу, а отверстия потом расширяли при помощи
острий или костяных шильев.
Иглы из кости практически не отличаются от современных, разве что немного толще. Их
вырезали из плотной кости и шлифовали; ушко либо прорезали, либо просверливали. Иглы
часто находят в игольниках — маленьких цилиндрических коробочках с крышечками,
сделанных из трубчатых костей птиц. Они часто украшены выгравированным орнаментом.
Сшивали одежду сухожилиями и растительными волокнами, а также тонкими сыромятными
ремешками из кожи мелких животных.
Представить, как одевался первобытный человек, можно благодаря статуэткам, найденным на
стоянках Мальта и Буреть близ Иркутска в Сибири. Статуэтки изображают людей в меховых
комбинезонах с капюшоном, в штанах, рубахах и обуви. В общих чертах одежда похожа на
традиционный костюм северных народов. Судя по погребениям верхнего палеолита, одежда (и
головные уборы) богато украшалась резными костяными бляшками, застёгивалась на костяные
пуговицы и пряжки.
Во второй половине верхнего палеолита появились составные, или вкладышевые, орудия. На
основе призматической техники раскалывания человек научился делать правильные
миниатюрные пластинки, очень тонкие, с режущими краями. Такая техника называется
микролитической (от греч. «микро'с» — «малый» и «ли'тос»). Изделия, ширина которых не
превышала 1 см, а длина — 5 см, называют микропластинками. Они-то главным образом и
служили вкладышами — составными частями лезвия будущего орудия. Если вставить
ретушированные микропластинки в основу из дерева, кости и рога, получится длинное
режущее лезвие. Вырезать его целиком из камня невыгодно. Во-первых, на это уйдёт много
времени, а во-вторых, камень достаточно хрупок и при сильном ударе может разломиться.
Составное лезвие легче починить — заменить только повреждённую часть (один-два
вкладыша), а не делать целиком заново. Чаще всего именно
*Кожу, которую не подвергают специальной обработке (дублению) для того, чтобы она стала
мягкой и прочной, называют сыромятной, или сыромятью.
26
так изготовляли крупные наконечники копий с изогнутыми краями (подобный наконечник
найден на стоянке Талицкого на Урале), жатвенные ножи с вогнутыми лезвиями (ими древние
люди собирали дикорастущие злаки).
В эпоху верхнего палеолита стали применять принципиально новые техники обработки
твёрдых материалов — пиление, сверление и шлифование.
Сверлили с помощью лучкового сверла, хорошо известного по более поздним временам. В
тетиву вставляли полую кость, под неё постоянно подсыпали песок и при вращении кости
высверливали отверстие. Чтобы получить более мелкие отверстия, например игольное ушко
или дырочку в бусине из раковины, использовали кремнёвые свёрла — каменные орудия
небольшого размера с ретушированным трёхгранным или коническим жалом, которое
закрепляли в рукоятке и быстро вращали вручную.
Пиление применялось в тех же случаях, что и сейчас, но значительно реже. Каменные пилки —
вкладышевые орудия, делали их из пластинок с ретушированным зубчатым краем и какой-либо
твёрдой основы. Они были достаточно хрупки, поэтому дерево обрабатывали в основном
рубящими орудиями. Кроме того, эпоха верхнего палеолита совпала с ледниковым периодом, и
деревьев тогда росло не так уж много. Зато следы пиления обнаружены на статуэтках того
времени, сделанных из мягкого камня — например, мергеля или сланца.
Шлифовали и полировали чаще всего кость, гораздо реже — камень. Широко распространится
подобная техника в мезолите и неолите.
В наборе орудий, характерных для верхнего палеолита, встречаются комбинированные орудия.
Видимо, для того, чтобы мастеру было удобнее работать, на одной заготовке часто располагали
(комбинировали) два-три различных орудия. Скребок и резец, скребок — резец — проколка,
несколько разных резцовых кромок — наиболее частые сочетания.
МЕЗОЛИТ
Средний каменный век (10 тыс. — 5 тыс. лет до н.э.) называют мезолитом (от греи, «ме'зос» —
«промежуточный» и «ли'тос»), В это время происходили существенные изменения природно-
географической среды. Общее потепление, таяние ледников вызвали изменение климата.
Возникло много новых рек и озёр, лесные пространства стали занимать обширную территорию.
Крупные холодолюбивые животные (мамонт, шерстистый носорог, овцебык), служившие
27
Охотники, стреляющие из лука. Наскальные рисунки.
первобытному человеку источником мяса, вымерли. А те, что выжили и приспособились к
новым условиям обитания, были быстроногими, осторожными, не паслись стадами.
Всё это привело к серьёзной перестройке хозяйства древних людей.
ПЛЕТЕНИЕ И ТКАЧЕСТВО
Традиционно считалось, что плетение появилось в мезолите, а ткачество лишь в неолите.
Новые археологические находки заставляют значительно «состарить» эти ремёсла. Самые
древние образны тканей и плетения обнаружены на верхнепалеолитической стоянке Павлов-1
(Моравия, Чехия). Они созданы около 26—25 тыс. лет назад. Ткани сделаны из волокон
крапивы и имеют несколько видов сложного переплетения нитей. В образцах плетёных
верёвочек используются разнообразные растительные волокна.
Более поздние находки, широко распространённые от Японии до Северной Америки, относятся
к концу палеолита и мезолиту (13—7 тыс. лет назад). Это говорит о том, что плетением
рыболовных сетей, различных ловушек для ловли рыбы и корзин люди занимались постоянно.
В мезолите, когда исчезали обширные покровные ледники и поверхность земли изобиловала
водой, рыболовство и собирательство съедобных моллюсков были важными способами
добывания пищи. Огромные торфяники, оставшиеся с тех времён, хорошо сохраняют изделия
из дерева, кости, кожи, растительных волокон.
Например, коллективная загонная охота превратилась в индивидуальную. В результате
возросла роль охотничьего вооружения — различных приспособлений, ловушек и, конечно,
метательного оружия. В мезолите появились лук и стрелы. Они позволили добывать мелких и
одиночных животных, в том числе птиц. Потому-то среди находок той эпохи много
наконечников стрел — из камня, кости и дерева. В мезолитических погребениях в Сибири
найдены даже луки. Они довольно большие, около 1 м, и производят впечатление мощного
оружия. Видимо, древние охотники почитали их — недаром луки украшены просверленными
клыками животных.
Многочисленные находки рыболовных крючков, гарпунов и острог свидетельствуют о том, что
в то время придавали большое значение рыболовству. Был изобретён выгнутый рыболовный
крючок (прямой существовал ещё в палеолите). Наконечники острог найдены в эстонском
поселении Кунда. Это плоские, тонкие, хорошо заострённые костяные изделия с мелкими
зубцами на одной стороне. На остроге могло быть до 20 зубцов. Такое оружие делали не только
из кости — в ход шли и дерево, и камень; известны составные остроги, с вкладышевыми
зубцами.
Важным шагом в развитии рыболовного снаряжения стало изобретение сетей. Ни гарпун, ни
удочка не могли обеспечить по-настоящему богатый улов. Фрагменты рыболовных сетей с
поплавками из сосновой и берёзовой коры, с каменными грузилами найдены в прибалтийских
мезолитических поселениях. В торфяниках (остатки мезолитических озёр) Скандинавии
сохранились элементы рыболовных сетей длиной более 25 м. Как правило, сети плели из
растительных волокон.
Развивалась призматическая техника раскалывания, а микролитическая достигла расцвета.
Основной набор орудий оставался тем же, что и в позднем палеолите, но на юге и лесном
севере встречаются разные группы изделий. В южных областях
28
Скребок в рукоятке из рога лося. Мезолит. Россия.
это кремнёвые орудия геометрической формы — маленькие сегменты, треугольники, трапеции,
которые за свою форму и размеры получили название геометрических микролитов. Они
служили наконечниками стрел и вкладышами в составных орудиях для собирательства.
В лесных и лесостепных зонах изготовляли рубящие и деревообрабатывающие инструменты —
каменные тёсла, долота, скобели, струги, топоры. Найденные орудия массивны, а их рабочие
лезвия по форме похожи на своих металлических «потомков». С их помощью делали лодки,
лыжи, сани, охотничьи ловушки и множество других деревянных предметов.
В поселениях мезолита повсеместно находят роющие орудия — мотыги, кирки и кайла; их
делали из рога, кости и камня.
Широко использовались пиление, шлифование, полирование, сверление. Чтобы придать
желаемую форму изделию любого строения и твёрдости, его шлифовали. Особенно важна была
такая техника для обработки рубящих орудий. По своему качеству нешлифованные топоры из
кремня, обсидиана и кварцита были значительно хуже шлифованных. Кроме того, в холодной
лесной половине Восточной Европы месторождения кремня довольно редки. Здесь встречаются
в основном мягкие сланцы. Шлифуя их, древний человек получал топоры, тёсла, кайла и ножи,
пригодные для строительства жилищ и долбления лодок.
НЕОЛИТ
Последняя, и очень важная, стадия каменного века (около 5 тыс. — 3 тыс. лет до н.э.) — неолит
(от греч. «не'ос» и «ли'тос»). В эту эпоху человек впервые создал искусственные материалы —
керамику и текстиль. Основные же орудия труда по-прежнему делались из камня, кости и
дерева. Главным камнем оставался кремень. Но люди освоили и яшму, нефрит, горный
хрусталь. Из приёмов обработки камня преобладали двусторонняя оббивка, ретушь,
шлифование, пиление, сверление. Шлифовать стали и кремнёвые орудия, подсыпая мокрый
песок. Интенсивно развивалась техника пиления. Изготовлять подвески, особенно бусы,
удобнее было из
Шлифованный кремнёвый топор. Ранний неолит. Франция.
29
стандартных заготовок, и здесь помогала пила.
С ростом населения и развитием хозяйства увеличилась потребность в сырье для производства
орудий. Чтобы добыть кремень, в меловых отложениях пробивали глубокие ямы. Когда
достигали слоя, содержащего искомую породу, яму расширяли боковыми штольнями. На
стенках шахт сохранились следы от ударов роговых мотыг. Найдены и сами мотыги, и роговые
кирки. В древних кремнё-
Наконечни* кол».». Кремневый наконечник юли с луЬчагым
Heow. Ланин. краем. Ранний неолит Франция
вых разработках встречаются рога оленей, служившие в шахтах рычагами. В одной из таких
шахт на территории Польши археологи нашли «шахтёра», погибшего под завалом. С ним были
его инструменты — мотыга и кирка, светильник-жировик, сосуд для воды, остатки корзины с
добытым кремнём.
Среди находок неолита есть все основные типы каменных изделий, сформировавшиеся в эпохи
палеолита и мезолита: резцы, скребки, проколки, свёрла, ножи, скрёбла, зубчато-выемчатые
орудия, пластины и отщепы с ретушью; при этом формы орудий и охотничьего оружия более
совершенны по сравнению с предшествующими периодами.
В эпоху неолита начинается переход к принципиально иным формам хозяйства — от
потребляющего (охота, рыболовство, собирательство) к производящему (земледелие и
скотоводство). С различиями в природных условиях связаны и неодновременность такого
перехода по регионам, и несхожесть жилищ, бытовых вещей, формы орудий. Если в южных
областях уже осваивали скотоводство и земледелие, то на севере ещё господствовало
потребляющее хозяйство. На раскопках в зонах развития производящих форм хозяйства учёные
обнаружили много наконечников стрел и копий, орудия, связанные с обработкой охотничьей
добычи. Однако преобладали здесь, безусловно, земледельческие орудия: вкладышевые
жатвенные ножи, серпы, мотыги, кирки и зернотёрки.
Серпы (жатвенные ножи) — тип вкладышевых орудий, они состоят из костяной основы и
микролитов. Мотыги делали из кости, рога, камня; формы их различны. Кирки изготовляли из
тех же материалов; их формы близки к современным. На раскопках в среднеазиатском
поселении Джейтун, как и во многих других раннеземледельческих поселениях, нашли основы
жатвенных ножей и зернотёрки. Зернотёрки — плоские заглаженные или шлифованные камни,
между которыми растирали зерно в муку. В таких поселениях часто
30
КЕРАМИКА
Керамика (от греи, «керамике1» — «гончарное искусство», от «ке'рамос» — «глина») — первый
искусственный материал. Изобретали его не однажды и не в одном месте. Впервые это
произошло 26 тыс. лет назад, в верхнем палеолите. В древности люди, обитавшие на
территории Моравии (стоянка Дольни Вестонице), лепили из глины с добавлением различных
примесей статуэтки животных и женщин, а потом обжигали их на огне. Получалась керамика
довольно высокого качества. Физические исследования показали, что температура обжига
достигала 700—800 °C. Очаги, в которых производился обжиг, были особой конструкции и не
использовались для приготовления пищи. Располагались они отдельно от жилища, в
специальных мастерских.
Второй случай появления керамики, также относящийся к верхнему палеолиту, — находки с
сибирской стоянки Майна на Верхнем Енисее. Здесь обнаружена фигурка человека,
изготовленная приблизительно в XV тысячелетии до н.э.
Одна из величайших загадок истории техники — отсутствие рядом с древнейшими образцами
керамики каких-либо следов керамической посуды. До изобретения керамики люди
пользовались деревянной, каменной, кожаной посудой, сосудами из коры и плодов деревьев.
Керамическая тара удобнее во многих случаях, особенно для хранения пищевых запасов и
воды. Такая посуда появляется 13—12 тыс. лет назад в японских и китайских мезолитических
культурах. Получается, что сделанные некогда технические изобретения впоследствии
забывались, а позже их открывали вновь.
Керамическая посуда была хорошего качества, разнообразных форм. В глиняное тесто, чтобы
посуда не трескалась при обжиге, примешивали минеральные и растительные добавки:
охотники-собиратели — золу, толчёные раковины, дресву (толчёный древесный уголь),
волокна дикорастущих растений; земледельцы — солому культурных злаков, навоз и шамот
(толчёную керамику).
Самую раннюю керамику называют лепной: она сделана без помощи гончарного круга. Лепили
двумя способами — ленточным (или жгутовым) и посредством выбивания. В первом случае
глиняную колбаску накладывали круг за кругом, а потом изделие заглаживали. Во втором — из
глиняного шара выбивали нужную форму. Сначала глиняную посуду обжигали либо в ямах с
древесным углем, либо в очагах. Из-за неравномерного прогревания она получалась
невысокого качества. Затем придумали гончарный горн — специальную печь с двумя
отделениями: в одно помешали топливо, в другое — обжигаемые изделия. Горны часто делали
двухъярусными, с несколькими поддувалами — для лучшей вентиляции камеры обжига
горячим воздухом. В таких горнах температура достигала 700 — 900 °C. На Переднем Востоке
горны существовали уже в VII—VI тысячелетиях до н.э. Гончарный круг появился
относительно поздно — в энеолите (переходном периоде от каменного века к бронзовому).
Первые, не очень совершенные круги использовали в IV тысячелетии до н.э. в Месопотамии
(город Урук). Вначале гончарный круг был неподвижен и лишь потом стал вращающимся,
встречаются каменные пестики, похожие на современные.
В северных лесных областях находят в основном предметы охотничьего вооружения,
рыболовные снасти, рубящие изделия. В неолите здесь появились крупные наконечники копий,
костяные кинжалы с кремнёвыми вкладышами. Кремнёвые наконечники стрел чрезвычайно
разнообразны. Встречаются даже искусственно затупленные: с ними охотились на пушного
зверя — чтобы не портить шкурку. Наиболее характерны для неолита наконечники стрел с
черешком. По фрагментам неолитических луков видно, что эти изделия часто снабжались
роговыми обкладками — для большей упругости. На крупного зверя охотились с копьями, у
которых были массивные кремнёвые наконечники, и с большими, до 2 м, луками-самострелами
— их ставили на водопойных тропах.
К неолиту относятся массовые находки орудий рыболовства. Люди научились тогда
необычайно искусно изготовлять рыболовные снасти — например, составные рыболовные
крючки из каменного грузила, изогнутого деревянного стержня и звериного когтя на конце.
С неолита известны пряслица — маленькие колечки из твёрдых материалов. Пряслица
насаживали на веретено, и оно равномерно вращалось при прядении. Массовая находка в
поселениях позднего неолита — ткацкие грузики из камня или глины, служившие для
натяжения нитей основы простейшего ткацкого стана. Такой стан первоначально представлял
собой деревянную раму. Его ширина определяла ширину получаемой
31
НЕОЛИТИЧЕСКАЯ РЕВОЛЮЦИЯ
Переход от потребляющего типа хозяйства к производящему — одно из важнейших событий в
истории человечества. Если раньше человек всецело зависел от характера природных ресурсов,
обеспечивающих его жизненные потребности в пище, одежде, домостроительстве и т. д., то
теперь важнейшие из этих ресурсов производились и контролировались человеком.
Положите контур полумесяца на карту, и пусть один его конец ляжет на север африканского
континента, другой — на Иран, а средняя часть — на территорию Переднего Востока:
Анатолию, Сирию, Ирак (Двуречье, или Месопотамию). Внутри контура окажутся так
называемые земли Плодородного Полумесяца. Именно здесь находится прародина практически
всех известных культурных злаков и животных. И именно здесь археологи впервые
обнаружили поселения людей каменного века, которые занимались мотыжным земледелием,
выращивая пшеницу-двузернянку, держали при доме мелкий рогатый скот и свиней, кошек и
хорей. (Первые земледельческие памятники Переднего Востока датируются X—IX
тысячелетиями до н.э.)
Переход к новому укладу хозяйства вызвал кардинальные перемены в обществе и культуре, не
случайно его называют неолитической революцией. Население увеличилось, по
ориентировочным оценкам, в 100 раз. Возросло накопление богатств, в частности продуктов
питания. Для их зашиты земледельцы стали окружать поселения стенами — так складывалась
первобытная фортификация, которой никогда до этого не существовало. Например, стены
неолитического Иерихона (Палестина) — его возраст более 9 тыс. лет — были сложены из
камня и имели высоту от 4 до 8 м. В самих поселениях стояли прочные дома с окрашенными
полами и стенами, простейшей мебелью. Наконец, начали развиваться ремёсла — гончарство,
ткачество, сукноваляние, деревообработка; появилось прикладное искусство; возникла
потребность в создании ирригационных (оросительных) систем — всё это послужило сильным
импульсом для развития техники.
Кремнёвый жатвенный нож (серп). Неолит.
ткани и дальнейший крой одежды. В работу шли нити, спрядённые из специально
обработанных волокон шерсти и растений — крапивы, конопли, льна. Ткани из хлопка и шёлка
появились позднее. Все эти новшества свидетельствуют о широком распространении ткачества.
Одновременно заметно уменьшилось количество орудий, необходимых для выделки кож и
меха, — скребков и проколок.
ЧТО БЫЛО ПОСЛЕ КАМЕННОГО ВЕКА
Каменный век уступил место медному, а затем — бронзовому и железному. А если точнее, то
переход от каменного века к бронзовому называют халколитом (от греч. «ха'лкос» — «медь» и
«ли'тос») или энеолитам (от лат. aeneus — «медь» и греч. «ли'тос»), что означает
«меднокаменный». Этот период наступил в IV—III тысячелетиях до н.э. Среди
многочисленных каменных орудий того времени археологи обнаруживают и медные. Самые
древние изготовлены из самородков — случайно найденных природных кусков чистой меди.
Куски самородной меди порой бывали значительной величины (весили до 260 кг).
Но чистая медь (а самородки содержали до 99,98 % металла) — вязкий и тягучий, а значит,
очень мягкий материал, малопригодный для изготовления оружия и орудий труда. Как же
использовали её древние мастера?
Тяжёлые куски самородного металла люди считали камнями, потому и пытались обработать их,
как обычные камни, — способом оббивки. Но, к удивлению мастеров, эти
32
«камни» под ударами молота не раскалывались, а изменяли форму и становились более
твёрдыми! Настолько твёрдыми, что из них можно было выковывать топоры и ножи,
наконечники копий и стрел. (Твёрдый слой металла, образующийся при ковке, теперь называют
наклёпом.) Более того, слишком сильная ковка делала медь хрупкой.
До нашего времени дошло не много изделий из чистой меди, изготовленных способом
холодной ковки. В Шумере холодная обработка меди использовалась приблизительно до конца
IV тысячелетия до н.э. В Египте найдены примитивные медные орудия и оружие, относящиеся
к этому же периоду. Археологи предполагают, что холоднокованых медных орудий было не так
много, как каменных. Большинство их, по-видимому, переплавили после изобретения плавки и
литья металлов.
Около 3 тыс. лет до н.э. в Шумере металлические изделия уже отливали в формах. Литые
медные изделия пользовались немалым спросом. Когда запасы самородного металла были
исчерпаны, медь стали добывать из недр Земли. Некоторые места её добычи в III тысячелетии
до н.э. — с остатками шахт, их оборудования и орудий труда древних шахтёров —
найдены археологами на территории Испании, Португалии, Англии и других стран. Руду
добывали главным образом в горах, пробивая туннели и строя рудники. В Средние века отрасль
промышленности, возникшую на этой основе, так и стали называть — горнодобывающей, а
рабочих и мастеров — горняками, даже если рудники находились не в горах, а в чистом поле.
Древние металлурги добытую породу разбивали на небольшие куски, которые растирали на
доске ручными орудиями. Образовавшуюся мелкозернистую массу промывали водой в
деревянных корытах. При покачивании корыт лёгкие примеси всплывали, а тяжёлые частицы
медной руды оседали на дне.
В начале халколита медную руду плавили в специальных ямах, а позднее — в небольших
каменных печах, обмазанных изнутри глиной. В них разводили огонь, а сверху слоями клали
древесный уголь и медный концентрат, полученный после промывки. Выплавленная медь
стекала на дно печи. Жидкий шлак сливали через отверстие в стенке. После окончания плавки
похожий на лепёшку слиток остывшей меди вынимали из печи.
Примерно в III—II тысячелетиях до н.э. на территории Европы и Азии люди научились
выплавлять медные сплавы. Обнаружили, что медные орудия можно значительно улучшить,
если при выплавке добавлять в медь чёрные, коричневые и красновато-коричневые камни
касситерита — оловянной руды. (Такие камни попадались в медных разработках и на
поверхности Земли рядом с самородками меди.) В результате получался сплав, который теперь
называют бронзой. Затвердев, он оказывался гораздо более твёрдым и упругим, чем медь. Да и
температура его плавления была ниже.
Оловянная руда встречается реже медной. Поэтому для производства бронзы её иногда
привозили из далёких стран.
Разнообразные бронзовые изделия намного превосходили по качеству каменные и особенно
широко
Медный топор шумеров. Бронзовый меч.
33
применялись приблизительно в XX — XIII вв. до н.э. Но и тогда металлы не смогли вытеснить
камень полностью. Это произошло только в начале I тысячелетия до н.э., когда стали
повсеместно использовать дешёвое и прочное железо. Наступил железный век.
Железные руды встречаются чаще, чем медные, а тем более оловянные. Ведь железо — один из
самых распространённых в земной коре химических элементов. Орудия и оружие из сплавов
железа прочны, поддаются закалке. До сих пор железо и его разнообразные сплавы остаются
важнейшими техническими материалами. Из них сделано около 95 % всей металлической
продукции. Поэтому можно сказать: начавшийся около 3 тыс. лет назад железный век
продолжается и сейчас.
ТЕХНИЧЕСКИЕ ДОСТИЖЕНИЯ ДРЕВНИХ ЗЕМЛЕДЕЛЬЧЕСКИХ ЦИВИЛИЗАЦИЙ
Древнейшие земледельческие цивилизации возникли несколько тысяч лет назад в долинах
великих рек — Тигра и Евфрата, Нила, Инда, Хуанхэ. Здесь образовались первые на Земле
государства. Археологические данные и скупые письменные свидетельства позволяют учёным
говорить о том, что в истории развития этих государств, в технике, которая там применялась,
было немало общего.
В тёплой, но засушливой или, наоборот, переувлажнённой, заболоченной местности богатый
урожай можно получать не один, а два или три раза в год. Однако прежде нужно научиться
поливать либо осушать обширные территории. Возделать и засеять сравнительно небольшое
поле
способны и несколько человек, но для того, чтобы прорыть систему каналов и подвести воду к
полям или осушить болота, требуется множество хорошо организованных работников. Таким
образом, именно климат стал основной причиной, которая заставила людей объединить свои
поселения.
ПОЧЕМУ ИСТОРИЯ НАЧАЛАСЬ В ШУМЕРЕ
Один из древнейших очагов мировой культуры — Месопотамия, что в переводе означает
«двуречье» (или «междуречье»). Назвали эту область так не случайно: она находится между
двумя большими реками — Тигром и Евфратом. Здесь в IV—III тысячелетиях до н.э.
развивались города-государства шумеров — Лагаш, Ур, Киш и др. Люди, жившие там, были
замечательными тружениками. Они сделали великие для своей эпохи технические открытия. С
помощью простейших устройств — мотыг и корзин для переноски вырытой земли — шумеры
построили каналы, по которым вода потекла к полям. Каналы, вырытые около каждой деревни,
в совокупности образовали огромную ирригационную систему, орошавшую всю равнину. Во
время ежегодных разливов Тигра и Евфрата, когда в горах, где
34
берут начало эти реки, таяли снега, богатая илом вода мчалась к полям и садам, не только
поливая, но и удобряя старательно возделанные участки. Поливное земледелие в условиях
жаркого климата оказалось очень успешным: большие урожаи пшеницы, фруктов, овощей
обеспечили быстрый рост населения.
Гончарный круг для изготовления глиняной посуды и специальные печи для её обжига тоже
изобретения шумеров. Они научились делать из обычной глины твёрдую как камень, звонкую и
прочную керамику — не только горшки, тарелки и кувшины, но и керамические молоты, ножи
и серпы для жатвы.
Жилища и загоны для скота шумеры сооружали сначала из вязанок высушенного тростника.
Позже придумали, как строить дома из глины. Её сушили в особых формах — так получились
кирпичи. Отсутствие строительного материала на безлесной равнине перестало быть
проблемой. Первые кирпичные постройки очень просты, но со временем мастера-каменщики
научились возводить сложные ступенчатые конструкции, напоминающие арки, купола, своды.
Около 5 тыс. лет назад шумеры изобрели колесо; по крайней мере, к тому времени относится
самое древнее из дошедших до нас изображений
колёсной повозки. Да и сами повозки, в которые впрягали быков, появились тоже в Шумере. А
для того чтобы колёса не увязали в песке, улицы в городах начали покрывать... асфальтом.
Конечно, это был не тот асфальт, что применяют сегодня, но, по сути дела, именно шумеры
первыми стали пропитывать грунт вязким битумом — загустевшей нефтью.
Через реки и каналы жители Шумера переправлялись на наполненных воздухом кожаных
бурдюках, позже — на больших и прочных парусных лодках-плотах из тростника. Даже через
тысячи лет искусство жителей Двуречья не было утеряно: норвежский этнограф и археолог Тур
Зиккурат (культовая башня) в Уре. XXII—XXI вв. до н.э. Реконструкция.
КОЛЕСО И КОЛЁСНАЯ ПОВОЗКА
Возможно, колесо — самое великое изобретение в истории техники. И действительно,
каменное рубило — всего лишь «усовершенствованный» камень. Топор, мотыга и кирка не что
иное, как «доработанная» дубинка. Копьё и дротик — видоизменённая палка. Придумав же
колесо (или лук со стрелами), человек не просто улучшил предметы, имеющие природное
происхождение, а изготовил нечто абсолютно новое.
Учёные полагают, что первые колёса были созданы в Шумере примерно 5200 лет назад. До
изобретения колеса тяжести по суше перемешали с помощью катков и рычагов. С развитием
скотоводства начали использовать вьючных животных, появились бесколёсные волокуши,
ставшие прообразом саней.
Первые дошедшие до нас изображения колёсной повозки найдены в Месопотамии; датируются
они IV тысячелетием до н.э. Колёсная повозка состоит из колёс, осей и площадки для груза.
Очень важна в ней и упряжь — техническое приспособление, позволяющее впрягать тягловое
животное (осла, мула или быка). Интересно, что деревянный хомут сначала закрепляли на
голове животного и только гораздо позже — на шее.
«Штандарт из Ура» с изображением колёсных повозок. XXV в. до н.э. Британский музей.
Лондон.
35
Хейердал в 1977—1978 гг. проплыл по морю на такой тростниковой лодке «Тигрис» от берегов
Ирака до устья Инда, а оттуда — до восточного побережья Африки (до гавани Джибути).
Шумеры выплавляли металлы — медь и бронзу (обычно сплав меди с оловом). Оставшиеся
навсегда безвестными мастера первыми в истории человечества научились паять
СПОР МЕЖДУ МОТЫГОЙ И ПЛУГОМ
Среди древнейших текстов, дошедших из глубины веков до наших дней, встречаются
любопытные литературные произведения, из которых можно узнать о том, какой была техника
5—6 тыс. лет назад. Вот отрывок одного из них, написанного в любимом шумерами жанре
литературного диспута. Первоначально текст был нанесён на глиняные таблички. Теперь он
переведён на современные европейские языки.
Вот смотри! Мотыга, Мотыга, носящая узел,
Мотыга из шелковицы, зубья которой из кизила,
Мотыга из тамариска, зубья которой
из «морского» дерева,
Мотыга с двумя зубьями, с четырьмя зубьями,
Мотыга, сын бедного человека, опора
человека в лохмотьях,
Мотыга бросает вызов Плугу.
Ив споре Мотыги с Плугом Мотыга
говорит Плугу:
— Я приумножаю, но что приумножаешь ты?
Я расширяю, но что расширяешь ты?
Когда воды хлынут через размытую плотину,
ты не запружаешь её,
Ты не наполняешь корзины илом,
Ты не наполняешь перемётных сум глиной,
ты не делаешь кирпич,
Ты не кладёшь фундамент, ты не строишь ломов,
Ты не укрепляешь шатающихся старых стен,
Ты не прилаживаешь водосточных желобов
на крышах достойных людей.
Плуг, я приумножаю, но что приумножаешь ты?
Я расширяю, но что расширяешь ты?
В ответ Плуг, который к тому времени только-только вошёл в обиход, напоминает Мотыге о
празднике — первом дне вспашки поля. В этот день царь (он же верховный жрец главного бога
Энлиля) в сопровождении приближённых приносил жертвы Энлилю и проводил самую первую
борозду.
Я Плуг, сделанный могучей рукой,
собранный могучей рукой,
Я надзиратель Энлиля над полями,
Я верный землепашец человечества.
Когда мой праздник празднуется в поле,
Царь сам режет быков для меня,
Убивает несчётное множество овец для меня,
Разливает пиво в сосуды...
Царь держит меня за рукоятку,
Запрягает моих быков в ярмо.
Вся знать идёт рядом со мной,
Все страны обожают меня,
Все люди с радостью взирают и а меня,
Моё присутствие среди борозд — украшение полей.
Перед колосьями, которые я выращиваю в полях,
Все звери страны радостно, низко склоняются...
Я наполняю для Энлиля силосные ямы и житницы,
Сгребаю для него в кучу пшеницу...
Но ты, Мотыга, кто работает и копошится в грязи,
Мотыга, чья голова увязла в поле,
Мотыга и форма для кирпича,
Проводящие все свои дни в грязи,
Колодцекопателъ, ямокопатель,
Ты не годишься для царской руки,
Ты осмеливаешься бросать горькие
оскорбления мне,
Осмеливаешься сравнивать меня с собой!
Убирайся отсюда в поле, я достаточно
насмотрелся на тебя.
Но Мотыга не сдаётся. Она перечисляет множество важнейших дел, выполняемых ею для
людей: рытьё канав и оросительных каналов, осушение болот, удаление корней и выравнивание
полей для пахоты (а этим она помогает и самому Плугу), возведение городских стен и т. д. Она
упрекает Плуг:
Ты, у кого шесть быков, у кого четверо
работников, —
Ты сам лишь одиннадцатый...
Моё рабочее время — двенадцат ь месяцев,
А ты работаешь только четыре месяца
И исчезаешь на восемь месяцев,
Следовательно, ты отсутствуешь
в два раза больше, чем работаешь...
Спор продолжается ещё долго, но завершается древний текст так:
В споре между Мотыгой и Плугом
Побеждает Мотыга.
36
Развалины Ура: святилище, улица, лестницы. Ирак.
металлы, гравировать их и инкрустировать.
Раскапывая холмы, скрывающие развалины шумерских поселений и городов, археологи нашли
первые в истории человечества книги, даже целые библиотеки! Шумеры создали древнейшую
на Земле письменность. Её знаки похожи на клинья, прямые и острые углы; отсюда и название
— клинопись. На глиняных табличках записывали хозяйственные расходы (сколько продуктов
хранится на складе, сколько выдаётся и т. д.), легенды, мифы; сохранились даже черновики
упражнений учеников в школах писцов. С годами в храмах и царских дворцах накопились
(учёные говорят «отложились») огромные архивы. Эти необычные книги бесценны для
изучения быта и экономики Шумера.
Видимо, потому американский шумеролог Сэмюэл Крамер и назвал свою знаменитую книгу об
одной из самых древних земледельческих цивилизаций так: «История начинается в Шумере».
ВЕЛИКАЯ Ц,ИВИЛИЗАЦ,ИЯ В ДОЛИНЕ НИЛА
Археологические раскопки в долине Нила велись давно и очень настойчиво. В результате о
Древнем Египте известно гораздо больше, чем о Шумере. Тысячи лет назад в Египте был
развит погребальный культ. Жители страны верили в жизнь после смерти, поэтому своих
владык (фараонов), а также придворных вельмож и жрецов храмов хоронили
Древний храм в Луксоре. XV—XII вв до н.э. Египет.
37
Трон Тутанхамона. XIV в. до н.э. Египетский музей. Каир.
Пахота. Папирус. XI—X вв. до н.э. Египетский музей. Каир.
Ловля рыбы гарпунами. Рельеф гробницы Птахотепа в Саккаре. XXVI—XXV вв. до н.э.
Египет.
в богатых гробницах. Вместе с мумиями в саркофаги помещали личные вещи умерших,
ювелирные украшения, разнообразную утварь, статуи, предметы обихода, инструменты,
оружие, мебель и даже колесницы — словом, всё то, что, как считали египтяне, потребуется
погребённым в мире ином. Раскопки древних захоронений помогли узнать, как жили древние
египтяне, какой техникой пользовались и что с её помощью умели делать. Многое рассказали и
найденные в гробницах тексты, записанные иероглифами на свитках папируса.
Начало земледелию в Египте было положено ещё в эпоху неолита, в V тысячелетии до н.э.
Скорее всего, первыми земледельцами стали племена, которые занимались рыболовством. К
тому времени у них появились постоянные поселения. На рубеже V и IV тысячелетий до н.э.
египтяне научились выплавлять медь. Получали её из медной руды. Медные инструменты
гораздо производительнее каменных: с их помощью можно легче и быстрее изготовить
деревянные мотыги для земляных и сельскохозяйственных работ, а тёсла и рукоятки топоров
— для рубки деревьев. Вероятно, тогда-то и стали осушать заболоченную долину Нила. Позже
была освоена металлургия бронзы, а в XVIII—VI вв. до н.э. — и железа.
В IV тысячелетии до н.э. жители Древнего Египта уже умели сооружать системы бассейнов и
каналов для искусственного орошения полей. Долину Нила между рекой и возвышенностями,
за которыми раскинулась пустыня, разделили множеством насыпей, дамб и плотин на
отдельные бассейны. К концу тысячелетия египтяне построили сложную ирригационную
систему. Устройство её столь разумно, что вызывает восхищение даже у современных
специалистов. Именно с этих технических достижений начался расцвет сельского хозяйства и
рост благосостояния египтян. Вся долина Нила покрылась полями, садами и огородами. У
каждого жилого дома, не говоря уже о дворцах и
*Иеро'глифы (от греч. «хиерос» — «священный» и «глифе1» — «то, что вырезано») — древние
рисуночные знаки египетского письма.
38
храмах, были вырыты пруды. Сады долгое время поливали вручную, используя кожаные вёдра
и бурдюки. Первое сохранившееся до наших дней изображение специального водополивного
устройства — шадуфа — относится к XIV в. до н.э. С его помощью один работник мог за час
поднять на двухметровую высоту 3400 л воды. Позже изобрели водоподъёмное деревянное
колесо с кувшинами, которые черпали воду по мере его вращения. В III—IV вв. н.э. египтяне
стали применять изобретённый в Древней Греции архимедов винт — более эффективное
техническое устройство для подъёма воды. Благополучие страны зависело от того, насколько
хорошо работает система каналов и бассейнов. Её
ШАДУФ И ВОДОПОДЪЁМНОЕ КОЛЕСО
Создание приспособлений для подъёма воды с древних времён и по сию пору занимает умы
изобретателей, лучших инженеров и техников. Орошение полей, откачка воды из рудников,
подача её в водопроводы...
Впервые эта серьёзная техническая проблема встала при проведении ирригационных работ в
долинах великих рек — Тигра, Евфрата, Инда, Хуанхэ, Нила, на берегах которых возникли
древние земледельческие цивилизации. В те времена
Поливка с помощью шадуфа. Роспись гробницы в Дейр-эль-Мелине. После XIII в. до н.э.
Египет.
Водоподъёмное колесо.
от возможности поливать поля, удалённые от реки, зависела жизнь людей. Чтобы подавать
воду с нижнего уровня — реки или канала — на верхний, например в другой канал, по
которому она потечёт дальше «сама собой», было изобретено простое, но весьма эффективное
техническое устройство — гиаду'ф. Он похож на журавль — длинный рычаг с противовесом.
Такие журавли до сих пор можно встретить у колодцев во многих деревнях России. Шадуф
применяли на Востоке очень долго.
Позже придумали, а затем и усовершенствовали водоподъёмное колесо — «прадедушку»
водяной мельницы. Заметим, что в разных
странах конструкции водоподъёмных колёс были различными.
Сыграв значительную роль в развитии сельского хозяйства древних цивилизаций, шадуф и
водоподъёмное колесо вошли в историю человечества.
Другой водоподъёмный механизм, действовавший по принципу винта, изобрёл Архимед.
Достоверно известно, что при его изготовлении применялся метод расчёта, разработанный
учёным.
Сохранились документальные сведения о том, что с помощью архимедова винта в Древнем
Египте была осушена и сделана пригодной для земледелия обширная заболоченная территория.
39
создание требовало знания математики, гидравлики, строительного дела. Например, чтобы
правильно вести поливное земледелие, нужно по положению звёзд определить время
разлива Нила. В зависимости от уровня воды в реке, который изменяется регулярно каждые
четыре месяца, сельскохозяйственный год египтяне делили на три сезона: время поло-
СУЩЕСТВУЮТ ЛИ ЗАГАДКИ ПИРАМИД?
Древние египтяне оставили после себя величественные памятники зодчества — знаменитые
пирамиды, гробницы фараонов (XXVIII—XXVI вв. до н.э.). Европейцы узнали об этих
грандиозных сооружениях после Египетского похода (1798—1801 гг.) генерала Бонапарта
(будущего императора Франции): именно тогда были сделаны первые описания устройства
гробниц.
Известия о необыкновенных постройках вызвали множество вопросов. В самом деле, высота,
например, пирамиды фараона Хуфу (по-гречески — Хеопса) достигает 146,59 м, длина стороны
основания — 230 м, объём — 2,6 млн. м3; сложена пирамида из огромных каменных блоков
массой 2,5 т каждый. Как древние египтяне без мощных подъёмных кранов смогли доставить
блоки к месту строительства и, главное, поднять их?
Объяснений загадки существовало немало, и часто они основывались не на фактах, а на
легендах. Так, в глубокой древности в Египте жил высокоразвитый народ (ему даже дали имя:
атланты). Он обладал совершенной техникой, потому и сумел создать столь величественные
сооружения, сохранившиеся до наших дней.
Возникла даже пирамидология — «наука» о тайнах и загадках пирамид. По утверждению
«пирамидологов», в конструкции гробниц зашифрованы некие тайные знания о прошлом и
будущем человечества. Размеры пирамид и их внутренних помещений не что иное, как
зашифрованные в камне даты прошедших и грядущих событий! Есть и другое предположение:
египетские пирамиды на самом деле не гробницы фараонов, а астрономические обсерватории.
Их размеры выбирались с учётом расстояния от Земли до Солнца или длины пути, который
проходит Земля по своей орбите за сутки. А вот члены общества «Поднимающиеся атланты»
уверены: под пирамидой фараона Хеопса лежит капсула, в которой спрятаны секретные знания
давно умерших жителей некогда существовавшей страны — Атлантиды.
Что же говорит о тайнах пирамид современная наука? Доказано, что строительная техника
древности позволяла возводить столь монументальные сооружения. Блоки из известняка
вырубали в каменоломнях и на месте обрабатывали — обтёсывали и полировали. Выполняли
эту операцию медными инструментами. Камень отделывали так тщательно, чтобы в
дальнейшем блоки плотно прилегали друг к другу. Мастера добивались удивительных
результатов — и тысячелетия спустя между гранями соседних плит нельзя протащить даже
нитку. Затем многотонные блоки, используя полозья-волокуши и простые рычаги, грузили на
Древнеегипетская пирамида.
баржи и в период половодья по специально прорытым каналам отправляли к месту
строительства.
Сам процесс возведения пирамиды был прост, но трудоёмок. Для кладки использовали
глиняный раствор. На верхние ряды кладки блоки поднимали по наклонным насыпям,
сооружённым из кирпича-сырца. Остатки таких насыпей обнаружены в Медуме и Гизе, около
пирамид фараонов Хуни и Хафра. Втягивали блоки на канате медными крюками. Возможно,
находили применение и салазки. Словом, главная тайна пирамид — трудолюбие и талант
человека.
Конструкция пирамиды Хеопса. III тысячелетие до н.э.
1 — вход в пирамиду; 2 — нисходящий коридор; 3, 6 — погребальные камеры; 7,5 —
горизонтальные коридоры; 7 — недостроенные вентиляционные ходы; 8 — большая галерея; 9
— передняя комната; 10 — погребальная камера с саркофагом; 11 — разгрузочные камеры; 12
— система действующих вентиляционных каналов; 13 — шахта, пробитая после окончания
строительства пирамиды.
40
ОРГАНИЗАЦИЯ ТРУДА
Ещё в древние времена люди заметили, что не всем в одинаковой степени удаётся выполнять те
или иные виды работ. Например, более сильные и бесстрашные лучше охотятся, а тот, кто
обладает хорошей координацией движений и умеет различать породы камня, как правило,
лучше других его обрабатывает и с большим успехом делает из природных материалов
необходимые для племени орудия — острые рубила и ножи для разрезания мяса и разбивания
костей, скребки и проколки-шилья для выделки шкур и шитья одежды и т. д. Постепенно такие
умельцы становились признанными мастерами своего дела, для племени не менее важного, чем
охота. И когда другие члены племени отправлялись добывать пищу, первобытные мастера,
наверное, оставались в пещерах и изготовляли первую в истории человечества технику.
Так на собственном многолетнем опыте люди убедились, что выжить в дикой природе легче,
если каждый занимается тем, что умеет делать лучше других. С тех давних пор разделение и
специализация труда помогают совершенствовать мастерство и технику.
Со временем среди мастеров тоже произошло разделение: одни занялись изготовлением
каменных и костяных орудий, другие — выделкой стрел и дротиков, третьи — обработкой
шкур. Каждый древний «специалист» старался улучшить свои орудия, по возможности
приспособив их для конкретного дела. В результате появились первые «специализированные
наборы» инструментов. По мере накопления опыта, знаний и умений техника первобытных
людей становилась совершеннее. Этот процесс прослеживается по археологическим находкам.
Чем лучше распределялись обязанности между членами племени, тем сильнее оно становилось.
Для более продуктивной организации работ понадобились люди, которые занялись бы только
этим. Первыми организаторами были вожди племени. Но постепенно в изготовлении техники,
строительстве жилищ, храмов и оросительных каналов стало участвовать всё больше людей, а
использовавшиеся орудия заметно усложнились. Для руководства работами потребовались
особые знания и умения. В III—II тысячелетиях до н.э. организацией технической деятельности
занялись жрецы храмов — наиболее образованные и сведущие люди. Об этом говорят
сохранившиеся письменные источники — глиняные таблички шумеров и
вавилонян, папирусные свитки египтян. Найденные тексты донесли до нас имена первых
архитекторов и руководителей строительства. В частности, ступенчатую пирамиду и
заупокойный храм фараона Джо-сера в Саккаре (Египет) построили под руководством жреца
Имхоте'па (около XXVIII в. до н.э.). Слава Имхотепа была столь велика, что он почитался
египтянами и в течение многих лет после смерти.
В обязанности жрецов входили проектирование сооружений, подсчёт необходимого количества
материалов, а также определение численности «специалистов», простых землекопов и
носильщиков, требовавшихся для каждого этапа строительства. До нашего времени дошли
сведения о планировании количества продуктов, нужных для того, чтобы прокормить армию
строителей.
В сооружении пирамид участвовали десятки тысяч египтян, а организацией их труда
занималось множество жрецов разного ранга. Их деятельность, в свою очередь, находилась под
надзором старших организаторов производства. Таким образом, уже во II тысячелетии до н.э.
жрецы решали примерно те же задачи, что и нынешние инженеры (конструкторы,
проектировщики) и руководители промышленных предприятий и технических проектов,
водья (ахет), время всходов (перет) и время засухи (шему).
Сельскохозяйственная техника в Древнем Египте не отличалась многообразием. Известную со
времён неолита мотыгу усовершенствовали — снабдили металлическим наконечником. В
конце IV тысячелетия до н.э. была изобретена соха. Сначала она напоминала обыкновенную
мотыгу, но затем орудие усложнили — сделали две рукояти и упряжь из дышла и ярма для
быков и коров. Позже изобрели хомутп.
Для жатвы применялись деревянные серпы с кремнёвыми вкладышами. С развитием
металлургии серпы
Выплавка металла. Роспись гробницы в Шейх-Абл-эль-Гурне. XVI—XV вв. до н.э. Египет.
41
Строительные работы. Фрагмент рельефа. Тел-эль-Амарна. XVI—XV вв. до н.э. Египет.
Древняя канализация. Мохенджо-Даро. Ill—II тысячелетия до н.э. Пакистан.
стали изготовлять из бронзы. Зерно египтяне хранили в специально построенных кирпичных
хранилищах. Однако и с таким нехитрым сельскохозяйственным инвентарём древние
земледельцы добивались очень высоких урожаев.
Но, пожалуй, самые удивительные технические достижения были сделаны египтянами в
области строительства. В начале III тысячелетия до н.э. они стали возводить огромные
пирамиды — усыпальницы для фараонов. Современным учёным потребовалось не одно
десятилетие, чтобы изучить их устройство и доказать, что столь величественные сооружения
созданы с помощью простейших технических приспособлений.
ХАРАППСКАЯ КУЛЬТУРА
В 1922 г. индийский археолог Р. Д. Банерджи, раскапывая холмы в долине Инда, открыл руины
города, существовавшего в III—II тысячелетиях до н.э. Так из тьмы веков до нас дошли
сведения ещё об одном древнейшем очаге мировой культуры. Учёные назвали его Хараппской
цивилизацией.
Древняя Хараппская цивилизация (середина III — первая половина II тысячелетия до н.э.)
развивалась на территории, простиравшейся на 1600 км с запада на восток и на 1250 км с севера
на юг (часть современных Индии и Пакистана). Центрами её были два древних города —
Хараппа и Мохенджо-Даро.
В этом государстве ещё не знали железа, но мастера владели технологией горячей и холодной
обработки меди и бронзы; они делали металлические топоры, пилы, серпы, долота, ножи,
рыболовные крючки, предметы вооружения.
Хараппцы использовали разливы реки Инд для орошения полей, поэтому здесь процветало
земледелие. На месте древних поселений археологи обнаружили зёрна пшеницы, ячменя,
косточки фиников и семена дыни. По-видимому, для возделывания полей уже применялся плуг.
Люди умели выращивать хлопок, освоили прядение и ткачество. Скотоводы в долине Инда
разводили зебу, буйволов, овец, свиней, коз, а позднее — лошадей. Учёные считают, что тогда
же впервые приручили слонов.
О высоком мастерстве хараппских ремесленников говорят найденные фрагменты керамических
игрушек, украшений, предметов обихода (на некоторых из них есть древнейшие в Индии
надписи) и скульптурные изображения людей, животных и богов.
В древней Хараппе на площади более 2,5 км2 проживало около 100 тыс. жителей. Двух- и
трёхэтажные кирпичные дома занимали, вероятно, зажиточные горожане. Бедняки же обитали
за чертой города в обмазанных глиной хижинах. Улицы Хараппы достигали 10 м в ширину. Их
прокладывали строго по плану и так, чтобы они пересекались под прямым углом. Город был
оборудован водостоками, существовали хорошо налаженная система колодцев и даже
общегородская канализация. В середине II тысячелетия до н.э. хараппцы покинули свои земли.
Причины, побудившие их уйти с обжитых мест, до сих пор остаются загадкой.
Общественный колодец. Мохенджо-Даро. Ill—II тысячелетия до н.э. Пакистан.
*Дышло — толстая оглобля, прикрепляемая к середине передней оси повозки при парной
запряжке.
*Хомут — надеваемая на шею лошади часть упряжи в виде деревянного остова, покрытого
мягким валиком.
*Ярмо — примитивная деревянная упряжь для рабочего крупного рогатого скота.
42
Остатки древнего города
Мохенджо-Даро. III—II тысячелетия до н.э. Общий вид. Пакистан.
Баня. Мохенджо-Даро. III—IIтысячелетия до н.э. Пакистан.
ЗЕМЛЕДЕЛЬЦЫ ДРЕВНЕГО КИТАЯ
В 1928—1937 гг. в пещере Чжоукоу-дянь (Северный Китай) археологи нашли остатки скелетов
первобытных людей, названных синантропами. Жили они 460—230 тыс. лет назад. Учёные
установили, что синантропы охотились на диких зверей, собирали съедобные плоды и коренья,
а самое главное — уже умели добывать огонь и изготовлять примитивные каменные орудия.
Археологи обнаружили следы пребывания людей и в других районах Китая, но более поздние
по времени. Судя по находкам, первобытные люди в Китае прошли в своём развитии те же
стадии, что и в Африке и Европе. Были найдены, например, неолитические костяные орудия с
вкладышами из небольших, хорошо выделанных кусочков острого кремня (микролитов);
полированные каменные орудия и лепная глиняная посуда с орнаментом, датируемые III
тысячелетием до н.э.
В китайской провинции Хэнань при раскопках стоянки Яншао (середина III тысячелетия до
н.э.) нашли крашеные керамические изделия (в частности, характерные полированные сосуды
чёрного цвета) и каменные шлифованные орудия. Археологам удалось установить, что жители
Яншао умели возделывать зерновые и бобовые культуры, разводили собак, свиней, овец,
крупный рогатый скот. От нападений врага их поселения защищали земляные насыпи до 5 м
высотой. Следы культуры Яншао прослеживаются до конца III тысячелетия до н.э. Именно к
этому времени относятся позднейшие из найденных в бассейне реки Хуанхэ поселений.
В XVIII—XII вв. до н.э. в Китае существовало государство Инь (Шан). Его жители владели
искусством выплавлять бронзу, имели развитую письменность. Древнекитайский письменный
текст «Шицзин» (свод песен), сохранившийся до нашего времени, учёные относят к XI—VI вв.
до н.э. В столице царства Инь, находившейся в долине среднего течения Хуанхэ, было
множество дворцов, храмов и домов простых людей. Ремесленники селились на окраинах
города; здесь же располагались и мастерские, в которых делали керамику и отливали бронзу.
Местные мастера знали секреты выделки шёлковых тканей, изготовления керамики с глазурью,
чёрной и белой керамики. В одной из усыпальниц того времени нашли около 6 тыс. предметов
из золота, бронзы, нефрита, перламутра и панциря черепахи. По сохранившимся здесь
надписям установлено около 3 тыс. употреблявшихся тогда иероглифов.
В конце XII в. до н.э. государство Инь было завоёвано племенем чжоу, обитавшим в долине
реки Вэйхэ.
Керамика из Яншао. Конец III тысячелетия до н.э. Китай.
43
Бронзовый сосуд с крышкой в форме головы быка. XVIII—XII вв. до н.э. Китай.
В начале I тысячелетия до н.э. в пределах современного Китая было несколько небольших
государств. Именно в это время началось сооружение оросительных систем.
Сельскохозяйственная и строительная техника, даже несмотря на распространение железа,
оставалась примитивной: мотыги, плуги, шадуфы. Поэтому только организованная работа
огромного числа землекопов позволяла прорыть большие каналы. Вероятно, «техническая»
необходимость — одна из причин создания первого централизованного государства на
территории Китая. В III в. до н.э. небольшие государства объединились под властью
императора из династии Цинь. Были введены единая денежная система, чёткое
административное деление территорий, общая система мер и весов. Для защиты страны от
нападения врагов в III в. до н.э. приступили к возведению одного из самых грандиозных
инженерных сооружений древности — Великой Китайской стены.
ВЕЛИКИЕ КУЛЬТУРЫ АМЕРИКИ
Исследователи прошлого народов Америки обнаружили два больших района, где когда-то
существовали высокоразвитые земледельческие цивилизации. Северный район (его иногда
называют Мезоамерикой) охватывал территорию таких современных государств, как
Гватемала, Мексика (центр и юг), Сальвадор (запад) и Гондурас. Южный район расположен в
Андах — там, где сегодня находятся Перу и Боливия. История этих цивилизаций менее древняя
и более короткая: они развивались всего около 1,5 тыс. лет.
Человек попал в Америку из Северо-Восточной Азии около 25 тыс. лет назад. Цивилизации же
возникли здесь значительно позже — в I—IX вв. Быстрое развитие культур Америки в X—XV
вв. было трагически прервано нашествием испанцев и португальцев в конце XV—XVI вв. При
этом уничтожались бесценные памятники культуры и техники. Восстановить картины былого,
понять, что именно и как происходило в истории исчезнувших государств, теперь очень
трудно.
Великая Китайская стена. III в. до н.э.
Барельефы Храма Воинов. Культура майя. Чичен-Ица. Мексика.
*Великая Китайская стена — величественное крепостное сооружение на севере страны. По
разным оценкам, длина стены достигает 4—6 тыс. километров, а высота — в основном 6,6 м.
44
Учёные пришли к выводу, что американские земледельческие цивилизации прошли примерно
те же стадии технического и экономического становления, что и Египет, Шумер, древние
государства Индии и Китая. Правда, у американской истории есть интересные особенности.
Оказалось, например, что каменный век здесь длился гораздо дольше — приблизительно до
IX—X вв. Гончарный круг и металлургия не были известны местным жителям, пока не пришли
испанцы. Индейцы так и не изобрели колеса и колёсных повозок, не использовали домашних
вьючных и тягловых животных. Из технических устройств применяли только палку-копалку
(коа), мотыгу с каменным наконечником и каменный топор.
Впрочем, и с такой примитивной техникой индейцы с успехом строили оросительные системы
и дренажные (от англ, drain — «осушать») каналы. До сих пор огромное впечатление
производят сооруженные высоко в горах террасы с наносной землёй для посевов. Именно
достижения в земледелии стали экономической основой развития индейской культуры.
Пирамида Магии. Культура майя. Мексика.
ТЕХНИКА ДРЕВНЕЙ ГРЕЦИИ И РИМА
Представить себе мир без спутников и телевизора не так уж трудно: в конце XX столетия
многие ещё помнят то время, а кто-то продолжает в нём жить и по сей день. Вообразить же мир
без колеса, изобретённого шумерами, без календаря, созданного египтянами, или без алфавита,
придуманного финикийцами, гораздо сложнее. Столь же сложно представить современную
технику без возникших в античности математики, механики и астрономии, без вклада,
внесённого в её развитие греческими и римскими инженерами. Всё, чем располагает
человечество сегодня, стоит на фундаменте, заложенном в древности.
В Античную эпоху в сельском хозяйстве, ремёслах, металлургии, строительстве и транспорте
медленно, но постоянно улучшались уже известные технические средства и изобретались
новые. Достаточно назвать токарный
«ВТОРАЯ ПРИРОДА»
Великий древнегреческий философ Аристотель считал, что в мире существует два рода вещей:
одни — «по природе», а другие — «против природы». Скажем, тяжёлое «по природе» всегда
стремится вниз, поэтому если мы его поднимаем вверх, то действуем как бы «против природы».
Таким образом, получается, что любые механические приспособления и вообще вся техника
направлены «против природы». Но полагал ли сам Аристотель, что идти «против природы» —
это плохо? Вовсе нет. В сочинении «Механические проблемы», принадлежащем одному из его
учеников написано, что одни замечательные вещи происходят в согласии с природой, а другие
— против неё, причём последние делаются для пользы людей с помощью техники. Ибо
природа действует всякий раз тем же самым образом и просто, а то, в чём состоит наша польза,
многократно меняется (например, иногда тяжёлое тело нужно поднять, а иногда опустить). Вот
почему, когда необходимо сделать что-либо «против природы», человек оказывается в
затруднительном положении, и ему нужна техника. Ту её часть, которая помогает решить эти
трудности, так и назвали — механика, что в переводе с греческого означает «хитрость»,
«уловка».
45
станок, впервые появившийся в Греции; косу и механическую жатку, придуманные римлянами;
более совершенные давильные прессы и технику производства стекла, применение бетона в
строительстве, неизвестные ранее методы выплавки железа и типы кораблей.
Однако рабовладельческое хозяйство античных государств с его дешёвой рабочей силой не
нуждалось в замене ручного труда. Зачем изобретать, а потом строить дорогую машину, если
можно почти за бесценок купить несколько рабов? К тому же экономика не была нацелена на
производство всё большего числа товаров, а ведь именно для этого нужно широко применять
машины, чётко организовывать труд. Греки и римляне предпочитали вкладывать деньги в
покупку земли и в торговые операции, тратить их на роскошные пиры, а не на техническое
оснащение производства. В таких условиях даже изобретённые механизмы использовались
далеко не в полную силу и отнюдь не для промышленного производства, как это происходило,
например, в Средневековье.
КАК ГРЕКИ ПЕРЕМЕШАЛИ ТЯЖЁЛЫЕ ГРУЗЫ
Храм Артемиды в Эфесе (построен около 550 г. до н.э.) был одним из самых красивых и
знаменитых творений греческой архитектуры и считался третьим чудом света.
Руководители строительства Херсифрон и Метаген при возведении храма столкнулись со
сложной проблемой: как перевезти по рыхлой почве тяжёлые колонны и блоки из каменоломни
к месту работ? Опыт Египта, где на строительство пирамид фараоны согнали тысячи рабов, в
Греции был неприменим. Не располагали строители и большим количеством тягловых
животных, которых широко использовали на подобных работах в странах Востока. И всё же
выход был найден: колонну, особым образом прикреплённую к деревянной раме, как бы
превращали в каменный каток. А перекатывать тяжести гораздо легче, чем тащить. Для
прямоугольных блоков Метаген придумал другой способ: каждый блок, как ось, вставляли в
огромные деревянные колёса около 4 м в диаметре и катили до места строительства.
Сэкономив таким образом много сил и средств, Метаген решил поделиться своим
изобретением с другими: написал книгу. Рассчитывал ли он прославиться среди современников
и сохранить своё доброе имя в веках? Если да, то расчёт оправдался: об изобретении Метагена
помнят уже более 2,5 тыс. лет.
Иногда в ходе строительства (особенно высоких сооружений) требуется поднять тяжёлый груз
на большую высоту. На Востоке в древности для этого делали огромные пологие насы-
Так греки перевозили заготовки колонн и каменные блоки. VI в. до н.э.
Подъёмный кран. VI в. до н.э.
*Чудесами света греки называли наиболее прославленные, в соответствии со своими
представлениями, технические сооружения. Всего таких чудес света насчитывалось семь:
древнеегипетские пирамиды, храм Артемиды в Эфесе, мавзолей в Геликарнасе, висячие сады
Семирамиды в Вавилоне, статуя Зевса в Олимпии, статуя Гелиоса на Родосе и маяк в
Александрии.
46
пи, которые по окончании работ разбирались. Понятно, что такой трудоёмкий способ требовал
участия множества людей. Греки же старались сократить объём ручного труда с помощью
строительной техники. В VI в. до н.э. они изобрели два подъёмных крана: для подъёма
небольших (самой простой конструкции) и более тяжёлых грузов. По изображениям,
найденным археологами среди развалин одного из античных городов, удалось установить, как
он действовал. Колесо огромного крана вращали пять человек, в то же время двое управляли
грузом снизу и двое — сверху.
Метод расчёта трассы туннеля, которым, вероятно, пользовался Евпалин, описывает в своей
книге древнегреческий учёный Герои Александрийский.
р
д
X'
Расчёт трассы туннеля, сделанный Евпалином.
ABCD — основание горы;ВиВ — входные точки туннеля.
ВОДОВОД НА ОСТРОВЕ САМОС
Древнегреческий инженер Евпалин родом из города Мегара около 530 г. до н.э. построил на
острове Самос удивительный водовод, который «отец истории» Геродот считал одним из
величайших чудес света. Более чем километровый туннель был пробит... в горе! Учёные не
верили, что такое возможно, до тех пор, пока в 1882 г. его не обнаружили при археологических
раскопках. Штольня античного водовода имеет в плане размеры 2,5x2,5 м, её стены выложены
каменными плитами, идущий под плитами водовод сделан из керамических труб. Но ещё
удивительнее то, что туннель пробивали сразу с двух сторон горы, а ошибка при встрече
штолен составила всего несколько метров!
Каким же образом Евпалин произвёл предварительную разметку маршрута туннеля?
На Востоке направление прокладываемых туннелей контролировали с помощью вертикальных
шахт. Однако это приводило к столь большой погрешности, что в итоге туннель оказывался
кривым и окончательная его длина часто бывала в полтора раза больше, чем по прямой.
Следовательно, без математических расчётов и измерительных приборов, пусть даже самых
простых, Евпалин не смог бы выполнить свою задачу.
ПРАРОДИТЕЛЬ АРТИЛЛЕРИИ
В начале V в. до н.э. тиран Сиракуз Дионисий I Старший (около 432— 367 до н.э.) вёл
яростную борьбу с карфагенянами, в чьих руках находилась тогда половина Сицилии.
Дионисий созвал на помощь искусных мастеров и инженеров изо всех греческих городов на
Апеннинском полуострове, и они в короткий срок изобрели для его армии не виданные ранее
орудия. Прибыл к тирану и Зопир из Тарента, который превратил обычный лук в мощное
метательное орудие. Называлось оно гастрафет («мечущий животом»). Воин ставил гастрафет
против стены и упирался всем телом в дугообразный «приклад», натягивая тетиву. При этом по
металлической канавке, проделанной в ложе гастрафета, двигалась «собачка», которая
зацеплялась за специальные зубцы и фиксировалась. Когда тетива была натянута, в него
вкладывали стрелу.
Гастрафет использовали при обороне крепостей, стреляя по противнику сверху. Какие же
преимущества давало такое оружие? Натяжение тетивы в нём было гораздо больше, чем в
обычном луке, поэтому стрела летела дальше и била сильнее. Да и целиться стало легче, ведь
тетиву удерживала не рука, а спусковой механизм. В результате увеличилась точность
выстрела. Позже изобрели новый тип гастрафета: для натяжения
47
АРХИМЕД
Великий Архимед (около 287—212 до н.э.) — так называли этого человека уже во времена
античности. Жил он в городе Сиракузы, основанном древними греками на юго-восточном
побережье острова Сицилия. Его соотечественники знали некоторые технические средства для
перемещения тяжестей, но они не умели объяснить, откуда возникает выигрыш в силе. А
значит, и не могли определить заранее величину силы, необходимой для перемещения груза на
то или иное расстояние. Не знали способов расчёта равновесия тел, находящихся под
воздействием сил, или того, как распределяется вес балок между опорами. Не существовало и
понятия «центр тяжести». Невозможно было
Архимед.
Гравюра с античного изображения. Около XVIII в.
точно рассчитать водоизмещение морского судна, решить математические задачи, важные для
техники...
Огромной заслугой Архимеда не только перед греками, но и перед всем человечеством
является разработка математических методов решения этих и ещё многих других технических
проблем. Сам он, как и другие учёные того времени, считал, что практическое применение
полученных им теоретических решений вовсе не заслуживает такого же внимания, как научные
разработки. А потому из всех трудов Архимеда лишь единственный посвящён описанию
одного из его технических изобретений. Но текст этого сочинения — о звёздном глобусе — до
нас, к сожалению, не дошёл. Глобус, приводимый в движение водой, показывал расположение
звёзд на небосводе в любое время суток. Впрочем, историки не теряют надежды найти
бесценный текст в какой-нибудь из многих тысяч рукописей, ещё не переведённых с древних
языков.
По преданию, Архимед изобрёл зубчатый редуктор — устройство из нескольких зубчатых
колёс, позволявшее
«Улитка», или архимедов винт.
с помощью совсем небольшой силы перемешать весьма значительные тяжести (например,
корабль на суше). Придумал «улитку» — водоподъёмное колесо с «бесконечным» винтом
внутри, который так и называют до сих пор — архимедов винт (он похож на винт в хорошо
знакомой всем мясорубке). Современников приводили в изумление, а порой и в ужас военные
машины Архимеда. Он создал прибор для измерения видимого диаметра Солнца, разработал
способ определения доли металлов в сплавах, открыл правило рычага и некоторые изучаемые
сегодня в школе законы механики. Великий математик, механик, физик и инженер участвовал в
обороне Сиракуз, осаждённых римлянами. Когда город был взят, посланец римского
полководца Марка Марцелла потребовал, чтобы Архимед пошёл с ним во дворец к
победителю. Учёный, размышлявший в тот момент над изображёнными на песке
геометрическими фигурами, ответил: «Не трогай мои чертежи!». И легионер зарубил его.
Смерть Архимеда. Копия XVIII в. с римской мозаики II в. Франкфурт-на-Майне.
48
в нем применили специальный ворот, что позволило постоянно держать оружие в боевой
готовности, а не снимать его с плеча после каждого выстрела. Увеличенный вариант гастрафета
— катапелът («пронзающий щит»; отсюда возникло латинское слово catapulta). Он достигал 2
м в длину и мог пробивать не только металлический щит, но и корпус осадной башни.
МЕХАНИКА
В ШУТКУ И ВСЕРЬЁЗ
Первый теоретический труд по механике античная традиция приписывает учёному и философу
Архиту из Тарента (около 428—365 до н.э.). Он прославился не только научными трудами:
сограждане семь лет подряд избирали его стратегом (военачальником), и в боях Архит не знал
поражений.
Несмотря на занятость, учёный находил время даже для изобретения игрушек. В рукописях
другого древнегреческого философа, Аристотеля, есть сведения о том, что Архит придумал
особую погремушку, чтобы дети, играя в неё, ничего не ломали в доме. Следующим его
изобретением для детей стал деревянный голубь. Согласно античным рукописям, он махал
крыльями и взлетал благодаря заключённым в корпусе противовесам и «невидимому воздуху».
Если Архит действительно применял в своей конструкции давление воздуха, то его можно
считать основателем не только механики, но и пневматики.
ТЕОРИЯ КРИВЫХ ЗЕРКАЛ
В IV в. до н.э. зародилась катоптрика (от греч. «като'птрикос» — «зеркальный») — раздел
оптики, в котором изучаются зеркала и принципы отражения. Первые трактаты по оптике и
катоптрике принадлежат знаменитому геометру Евклиду, жившему в III в. до н.э. Его
продолжатели — Архимед, Герои и Птолемей, изучая различные типы зеркал (плоские,
вогнутые, выпуклые, сферические, параболические), сумели достичь в этой области важных
результатов. В частности, в сочинении Терона Александрийского описывается, как изготовить
зеркало, в котором правая сторона будет видна слева, а левая — справа, а не наоборот, как в
обычном зеркале; как можно увидеть то, что происходит сзади нас; наблюдать за тем, что
делают люди на улице, не выходя из дому; видеть себя стоящим на голове, с тремя глазами и
двумя носами и т. д. Похоже, греки знали толк не только в серьёзной, но и в занимательной
науке!
ВОЕННЫЕ МАШИНЫ
Великий полководец Александр Македонский (356—323 до н.э.) покорил огромные территории
во многом благодаря превосходству своей военной техники. Его инженеры уже применяли
движущиеся осадные башни и орудия, способные метать не только большие стрелы, но и
тяжёлые ядра. Эти орудия, катапульты, называют торсионными (от лат. torsio —
«скручивание»), так как источником энергии в них служат пучки упругих жил или волос,
укреплённых между
Многоэтажная осадная башня «Гелепола».
Такое сооружение могло иметь до 20 этажей и достигать высоты 55 м. Башня двигалась на
восьми колёсах и вмешала десятки воинов с камнемётами и стреломётами.
49
Мгапульты (ымнг«йч и лреломёт). IV в. ло и. э.
жесткими опорами и скрученных при помощи деревянных рычагов. Размеры катапульт
определяли на основе диаметра отверстия, сквозь которое проходили тугие пучки. При расчёте
использовалось несколько формул. Ядра массой до 80 кг обычно имели 10—30 см в диаметре.
Орудия в зависимости от массы стрелы или ядра прицельно стреляли на расстояние 100—300
шагов. Для обслуживания таких машин требовалось от четырёх до десяти человек. В арсеналах
эллинистических государств хранились сотни катапульт и тысячи ядер. Например, карфагеняне
после поражения в войне с римлянами во II в. до н.э. сдали около 2 тыс. катапульт.
Во II—I вв. до н.э. несколько оригинальных военных орудий изобрёл Ктесибий из
Александрии. Одно из них, называвшееся халкотон, представляло собой катапульту, в которой
вместо пучков жил или волос применялись упругие бронзовые пластины. В другом орудии
бронзовые пластины заменили на бронзовые же цилиндры с поршнями. Когда орудие
заряжали, поршни сжимали воздух в цилиндрах, так что стрельба производилась силой сжатого
воздуха (поэтому такую катапульту назвали аэротон). Обе машины, из-за трудности
изготовления цилиндров с должной степенью точности и недостаточной упругости бронзовых
пластин, были, скорее всего, лишь экспериментальными.
Ещё более удивительную машину — своеобразный античный пулемёт — придумал механик
Дионисий, тоже александриец. Это полибол («многострел»). Он имел механизм для
автоматической подачи стрел, значительно увеличивавший скорострельность.
Римляне в основном пользовались орудиями, которые изобрели греки, правда,
усовершенствовав их боевые качества. Только в конце Античной эпохи римляне придумали
онагр — своего рода механическую пращу, состоявшую из мощной деревянной рамы на
колёсах, поперёк которой были натянуты упругие канаты; сквозь канаты шёл деревянный
рычаг с пращой на конце. Чтобы выстрелить, рычаг оттягивали назад с помощью ворота,
закрепляли задвижкой, вкладывали ядро и затем задвижку выбивали. Онагр мог метать ядра
массой 1,5 кг на расстояние до 350 м.
Смелы торсионного метательного орудия (тагапулыы). IV я. до и. >.
50
Античные катапульты вызывали ничуть не меньшее восхищение современников, чем у нас —
ракеты. Впрочем, когда в начале XX столетия были построены действующие модели некоторых
древних машин, учёных поразила их надёжность и меткость стрельбы. Даже во время Первой
мировой войны немецкие инженеры всерьёз рассматривали вопрос о применении в армии
метательных орудий.
КТЕСИБИЙ ИЗ АЛЕКСАНДРИИ
Ктесибий (около II—I вв. до н.э.) — гениальный инженер-изобретатель, который начинал как
самоучка (он родился в семье брадобрея), но со временем, уже в зрелом возрасте, познакомился
с научными трудами своих предшественников. Большинство изобретений Ктесибия относится
к пневматике и гидравлике — наукам о воздушных и водяных механизмах. В основе
пневматики лежала теория Стратона из Лампсака (340— 270 до н.э.), одного из основателей
Александрийского мусейона.
Ортли Ктесибия.
В ИЮГфСТСНИИ исгюаюовлллсъ и С11Л.1 волы.
и ГИЛЛ самого воздуха, которым поггупал
Н Тр><И4.
ВОДЯНАЯ ПОМПА
Наибольшим успехом в античности пользовалась водяная помпа. Обычно она состояла из двух
цилиндров, поршни которых были присоединены к противоположным концам рычага и
действовали поочерёдно. Поскольку вода в помпу не засасывалась, а затекала при отодвинутом
поршне, цилиндры погружались в воду (засасывающая помпа была изобретена только в XV в.).
Археологи обнаружили несколько десятков таких помп, применявшихся для удаления воды из
шахт и рудников, из трюмов кораблей, для тушения пожаров и т. п.
Принцип действия водяной помпы.
Вода через клапан (1) поступает в цилиндр (2), а затем под действием
силы поршня (3) через другой клапан (4) попадает в распределительную трубу (5).
(Цилиндр, поршень и клапан были, вероятно, изобретены Ктесибием.)
ВОДЯНЫЕ ЧАСЫ КТЕСИБИЯ
Эти необычные часы состояли из двух сосудов. Верхний ежедневно наполнялся водой до
определённого уровня. Из него вода равномерно капала в нижний сосуд, внутри которого
находился поплавок с указателем. Поднимаясь вместе с водой, он указывал время дня.
Поскольку греки делили сутки на 12 дневных и 12 ночных часов, то дневные часы были
длиннее летом и короче зимой. Поэтому на вращающемся циферблате линии часов были
неравной длины, их делили идущие сверху вниз линии месяцев (отмечены знаками Зодиака).
При надлежащем уходе водяные часы Ктесибия могли показывать время любого из 365 дней
года.
51
«ТАКОВА ПРИРОДА МЕХАНИКИ...»
Наука механики состоит из теоретической и практической частей. Первая включает в себя
геометрию, арифметику, астрономию и физику, а вторая — работу по металлу, архитектуру,
плотницкое дело, живопись и любой ручной труд, связанный с этими искусствами. Тот, кто с
детства получил знания теоретических наук, приобрёл мастерство в практических искусствах и
обладает быстрым умом, будет самым способным изобретателем механических
приспособлений и самым сведущим мастером в строительстве. Наиболее важными из
механических искусств с точки зрения их практической пользы являются следующие:
1) Искусство механиков. С помощью своих машин они могут, используя малую силу,
преодолевать естественное стремление тяжёлых тел вниз и поднимать их на высоту. 2)
Искусство изготавливать военные орудия. Оно создаёт катапульты, которые метают ядра из
камня или железа на большие расстояния. 3) Собственно искусство изобретателей машин.
Например, они строят водоподъёмные машины, с помощью которых легче поднимать воду с
большой глубины. 4) Искусство механиков, изобретающих «диковинные» приспособления.
Иногда они используют давление воздуха, как Герои в своей «Пневматике»; иногда — тела,
движущиеся по воде, как Архимед в своей работе «О плавающих телах»; иногда — водяные
часы. 5) Искусство изготовления небесных сфер. Те, кто им занимается, также называются
механиками. Они строят модели небес и приводят их в движение с помощью равномерного
кругового движения воды. Такова природа механики, которая одновременно является и наукой,
и искусством.
(Из «Математического собрания» греческого учёного
Паппа Александрийского.)
Учение Стратона об эластичности воздуха Ктесибий с успехом применял, изготовляя
механизмы самого разнообразного назначения — водяную помпу, аэротон,
усовершенствованные водяные часы, воздушный насос и даже водяной орган. Хотя не все его
изобретения получили широкое распространение, но водяные часы, орган и насос нашли
применение — об этом сохранилось немало документальных свидетельств.
ФИЛОН ИЗ ВИЗАНТИИ
Современник Ктесибия Филон в книге «Механический синтаксис» дал обзор всех известных в
то время отраслей механики. Во введении он математически обосновал различные
механические конструкции, а затем описал технологию строительства
подъёмных кранов, гаваней и портов, метательных орудий, пневматических и водяных
механизмов и приспособлений, крепостей и осадных орудий.
Филон первым заговорил о красоте машин и о будничных проблемах, с которыми непременно
сталкивается каждый изобретатель, — таких, например, как издержки средств и материалов,
затраты времени на строительство, ввод в действие и ремонт.
Согласно Филону, любой механизм в процессе создания проходит несколько стадий:
подготовку технического чертежа, сооружение модели, изготовление по ней механизма
нужных размеров. В то же время он хорошо понимал, что отличная работа модели ещё не
гарантирует такого же успеха на последней, решающей стадии, — для этого потребуется
провести немало экспериментов.
В работах Филона впервые встречается описание двух очень важных механизмов — их
повсеместно применяли в античности. Это водоподъёмное колесо и ковшовая водочерпалка.
Колесо использовали для полива полей, а также для удаления воды из рудников и шахт.
Ковшовая водочерпалка была обнаружена в Римской Испании. Восемь пар ковшей
последовательно поднимали воду из шахты на высоту около 30 м. За час вычерпывали более 10
т воды. Правда, для этого требовалось 16 человек, которые крутили колёса.
В том случае, если размеры шахты не позволяли поставить большое колесо, его заменяли
цепью с закреплёнными на ней ковшами. Цепь вращалась вокруг двух осей, расположенных
вверху и внизу шахты. Одним из преимуществ такого механизма была большая глубина
вычерпывания, которая достигала порой нескольких десятков метров.
«АСТРОНОМИЧЕСКИЙ КОМПЬЮТЕР»
Зубчатая передача, о которой впервые упоминает Ктесибий, была с огромным мастерством
применена в так на-
52
зываемом механизме из Антикиферы (I в. до н.э.), найденном в начале XX в. на затонувшем
античном корабле. Механизм представляет собой своеобразный «астрономический
компьютер». Он давал навигаторам точную информацию о фазах Луны и о положении планет в
любое заданное время. Состоял механизм из более чем 20 соединённых друг с другом
бронзовых зубчатых колёс. Они двигали указатели нескольких отдельных циферблатов,
показывая фазы Луны, положение Солнца и планет.
«ТЕХНИЧЕСКАЯ ЭНЦИКЛОПЕДИЯ» ВИТРУВИЯ
Трактат «Десять книг об архитектуре» римского архитектора Витрувия (I в. до н.э.) написан не
только опытным инженером, но и высокообразованным человеком, хорошо знакомым с
трудами греческих авторов. Согласно Витрувию, архитектор должен быть искусным
чертёжником, сведущим математиком, знатоком философии, ему следует разбираться в
акустике, медицине, праве, астрономии — и всё это лишь в дополнение к своему прямому делу.
Интерес Витрувия к технике действительно выходил далеко за пределы архитектуры: в своих
работах он описывал водяные колёса, акведуки (от лат. aqua — «вода» и duco — «веду»),
водяные и солнечные часы, военные машины и приспособления, подъёмные краны и винтовые
прессы. И хотя Витрувий был не творцом, а только знатоком и ценителем новой техники,
именно благодаря ему мы знаем о конструкции многих античных механизмов. Это позволяет
учёным восстановить их первоначальный вид по сохранившимся деталям. В частности,
Витрувий первым описал такое замечательное новшество, как водяная мелътща. Придумали её
в I в. до н.э. В основе механизма — два изобретения александрийских инженеров: водяное
колесо (в мельнице оно не поднимает воду, а, на-
оборот, движется благодаря её течению) и передаточный механизм, состоящий из двух
зубчатых колёс (с его помощью вращение колеса передавалось на ось с насаженным на неё
мельничным камнем). Заменив человека в изнурительной операции помола зерна, мельница
сохранила ему больше времени и сил, чем, вероятно, любая другая машина древности.
Широкое распространение водяные мельницы получили позже, уже в эпоху Римской империи,
особенно в северных провинциях, где текли полноводные реки. Например, около города
Арелата в Галлии (современный
« Мукомольный комплекс»
в Арелате (Галлия). Реконструкция.
53
Авгоматх-ич-кл!
Арль во Франции) работал замечательный «мукомольный комплекс». Вода по акведуку
поступала в большой резервуар и отсюда под углом 30° стекала вниз по каналу, отделанному
камнем. Вдоль канала была построена система из восьми крытых мельниц.
В отличие от Средневековья в античности мельница использовалась только для помола зерна.
Хотя и есть одно свидетельство, что с её помощью двигалась пила, режущая камень. Римский
поэт Авзоний пишет о двух притоках реки Мозель:
Первый тем знаменит что в нём наилучшая рыба,
Тем отличен второй, что ворочает мощным напором
Жерновы мельниц и в мрамор врезает свистящие пилы,
С двух берегов оглашая русло немолкнущим шумом.
Поскольку до сих пор не установлено, существовал ли на самом деле механизм,
преобразующий вращательное движение в прямолинейное (а без него механическую пилу не
сделать), это свидетельство многими ставится под сомнение.
МАШИНЫ ГЕРОНА
Герои Александрийский (около I в. н.э.) был автором множества научных трудов и блестящих
инженерных изобретений. О неистощимости Герона на выдумки рассказывает одно из его
сочинений — «Пневматика». Здесь описывается около 75 «диковинных» устройств: аппараты
для подачи вина и смешивания его с водой, автоматы для продажи «святой воды» храмовыми
жрецами, различного рода фонтаны, приспособления для открывания дверей в храме, игрушки,
действующие с помощью давления воздуха или жидкости, и т. д.
Среди этих механизмов, в общем далёких от практических нужд, есть два изобретения,
демонстрирующих, насколько мысль Герона опережала его время. Речь идёт о ветряной
мельнице и «паровой машине», кото-
54
Измеритель пути (годометр) Герона.
рые появились в Европе спустя много столетий. Небольшая по величине ветряная мельница
использовалась для передачи движения на поршень, который входил в цилиндр игрушечного
воздушного органа и нагнетал воздух в его трубы. Почему-то никто не оценил скрытых в
изобретении возможностей. Вероятно, причина заключалась в его размерах: никому просто не
приходило в голову сделать мельницу настолько большой, чтобы она смогла заменить труд
человека или животного.
Второй механизм, изобретённый Героном, лишь условно можно назвать паровой машиной. По
оценкам современных специалистов, даже если бы учёный сумел использовать вращательное
движение своей турбины, её коэффициент полезного действия не превысил бы 1 %. И хотя в
сочинениях Герона встречаются все элементы, необходимые для изготовления парового
двигателя (котёл, клапаны, поршень и цилиндр), ему не удалось их объединить.
С теорией и практикой измерения Земли (этим сегодня занимается геодезия) связан другой
труд Герона — «О диоптре». В нём даётся подробное описание измерительного прибора
диоптра, сходного с современным теодолитом, и работы с ним (определение относительной
высоты различных точек, а также расстояния между двумя точками, когда первая не видна с
позиции второй, и наоборот). Ещё один любопытный прибор, описываемый Героном, —
годометр
(измеритель пути), который передавал движение от колеса повозки через систему червячных
передач на указатель пройденного пути.
После Герона научно-техническое творчество греков пошло на убыль. Это не всегда было
заметно современникам, тем более что на их глазах возводились роскошные здания, строились
огромные мосты, совершенствовались орудия труда. Общий технический уровень Римской
империи был даже выше, чем в эпоху эллинизма (IV—I вв. до н.э.), но достигался он за счёт
распространения уже известных идей и усовершенствования римлянами ранее изобретённых
механизмов.
СЕЛЬСКОХОЗЯЙСТВЕННАЯ техника
Жизнь греков и римлян трудно представить без оливкового масла и вина. Но для того чтобы их
изготовить, нужны прессы. Первоначально это были весьма примитивные механизмы, и лишь
после того, как Архимед открыл винтовое движение, появилась возможность создать винтовой
пресс. Однако изобрели его ещё очень нескоро. Первые винтовые прессы начали делать лет
через 200 после Архимеда. Широкое распространение они получили в Римской империи. Во
многих странах подобные механизмы используют и сегодня, хотя кое-где виноград ещё
недавно мяли ногами.
Диоптр Герона.
*Теодолит — геодезический инструмент для измерения на местности горизонтальных и
вертикальных углов.
Червячная передача — механизм для передачи вращения между валами посредством винта
(червяка) и сопряжённого с ним колеса.
55
Жатва. Древний Рим. Современный рисунок со старинной гравюры.
Любопытным примером нового сельскохозяйственного орудия является жатка. Римляне
впервые использовали её в провинции Галлия (а может быть, и заимствовали у галлов). По
найденному при раскопках римскому рельефу удалось установить, что она представляла собой
большую прямоугольную раму, к которой припрягали осла. Спереди к раме прикреплялось
нечто вроде ковша экскаватора с мелкими зубьями. Проходя сквозь них, колосья оставляли в
ковше зерно. Обслуживали жатку два человека: один управлял ею, а другой
отгребал зерно глубже в ковш, не давая ему просыпаться. Хотя этот агрегат наверняка требовал
частых остановок, римские авторы отмечали, что собирать урожай с его помощью гораздо
быстрее и легче, чем косить, а затем молотить зерно.
АКВЕДУКИ
Римский акведук.
Секст Юлий Фронтин (около 35 — около 103) был не инженером, а чиновником,
возглавлявшим службу водоснабжения в Риме. Тогда она насчитывала около 700 человек В
своём труде, посвящённом римскому водопроводу, Фронтин подробно описывает все акведуки
Рима, называет их пропускную способность, указывает, на какие цели и в каком количестве
тратится вода. В соответствии с его данными, в Риме действовало семь акведуков; самый
короткий из них был протяжённостью 20 км, а самый длинный — 70 км.
Акведук представлял собой сложное инженерное сооружение, проходившее по подземным
туннелям, по земле и по многокилометровым арочным мостам. Учитывая значительную
протяжённость сооружения, инженерам приходилось решать множество проблем, связанных с
особенностями рельефа местности. Если источник воды находился выше города, она текла по
акведуку под действием собственной тяжести. Однако часто требовалось изобретать и сложные
искусственные способы её подачи,
56
например, класть свинцовые трубы разного диаметра, чтобы увеличить давление и помочь воде
преодолеть высокий участок, или качать воду с помощью помп. (Вода, идущая по свинцовым
трубам, содержит вредные примеси, а значит, и в древности не всё было «экологически
чистым».)
Римляне добились поразительного мастерства в строительстве акведуков (некоторые из них
использовались и в XX столетии). Древним мастерам помогли два важных изобретения: арка и
водоупорный цемент. Входящие в состав цемента вулканический пепел, гравий и камни
тщательно перемешивали, получая строительный материал отличного качества. С его помощью
строить арки оказалось гораздо легче, чем из цельных каменных блоков. И хотя арка была
известна до римлян, именно у них она получила широкое применение.
ПУТЕШЕСТВИЕ СТЕКЛА
Родиной стекла считается богатый кварцевым песком Египет, где в течение многих столетий
изготовляли стеклянные бусы. Греки заимствовали это ремесло у египтян, усовершенствовали
его и стали делать стеклянные вазы. Но тогда они ещё не открыли главное отличительное
свойство нового материала — прозрачность, и вазы были из непрозрачного или окрашенного
стекла. Кроме того, мастера научились делать расписную и позолоченную стеклянную посуду.
Техника выдувания стекла с помощью специальных труб и форм появилась в Сирии в I в. до
н.э. и быстро распространилась по всей Римской империи. Стеклянные изделия — кубки,
бокалы, тарелки — стали много дешевле и превратились в предметы массового спроса. Всё
чаще их делали из прозрачного стекла, лишь иногда покрывая росписью. Новые центры
стеклоделия возникли в Италии и римских провинциях, на территории Испании, Франции,
Германии.
В I в. н.э. изобрели оконное стекло. Это открытие произвело настоящую революцию в римской
архитектуре. Новые храмы теперь освещались естественным светом, льющимся сквозь
прозрачные или мозаичные стёкла. Стекольщики служили даже в римской армии: по-
видимому, и в солдатских казармах окна были застеклены. А один специалист по сельскому
хозяйству рекомендовал защищать растения весной от плохой погоды с помощью листового
стекла. Значит, римляне додумались и до теплицы!
РИМСКИЕ ДОРОГИ
Одним из главных достижений римской техники по праву считаются дороги. По сравнению с
ними греческие кажутся горными тропинками. Строились дороги не столько для торговых,
сколько для военных целей, чтобы в случае необходимости легионы могли быстро попасть
57
АНТИЧНЫЕ СУДА
Колыбелью мореплавания и судостроения считается Средиземноморье. Использовать морские
пути для торговли люди начали в III—II тысячелетиях до н.э. В те времена Египет вёл
активную торговлю с Финикией и островом Крит. Самым ходовым товаром были лес
(ливанский кедр), ткани, бронзовые изделия, украшения, ароматические смолы. Кроме того, с
Кипра доставляли медь. Позже, в период расцвета Римской империи, из Египта в больших
количествах вывозилась пшеница.
В качестве строительного материала для судов античные мастера использовали кедр, ель и
сосну. Ткань, тростник и кожа шли на изготовление парусов (на одной-двух мачтах поднимали
по одному прямому парусу). Днища иногда покрывали медью.
И по сей день море является дорогой, соединяющей народы и страны, по которой непрерывно
идут потоки торговых и промысловых судов.
z
I
3
1. Египетское судно. XXV в. до н.э.
2. Древнеримское торговое судно.
3. Военное судно этрусков.
4. Древнеримская пентера.
Аппиева дорога.
Современная фотография.
в любую точку государства. Именно поэтому дороги делали широкими, от 4 до 8 м, и
обязательно мощёными. Технология строительства была следующей. После всех
измерительных работ поверхность дороги очищалась от растительности и камней,
выравнивалась, затем с обеих её сторон прокапывались сточные канавки. В основании дороги
делалась «подушка» глубиной до 1 м из нескольких слоёв песка, камней и гравия, смешанных с
цементом или глиной. Дорогу мостили прочным булыжником, скреплённым бетонной смесью,
и для прочности обрамляли каменным бордюром.
Первую из таких дорог — Аппиеву (лат. via Appia), соединившую Рим и Капую, начали
прокладывать в 312 г. до н.э., и с тех пор строительство дорог постоянно расширялось,
особенно в I—II вв. н.э. Вскоре римские дороги протянулись от Британии до Месопотамии, а их
общая длина достигла 85 тыс. километров.
После II в. строительство новых дорог пошло на убыль, а к IV в. государство едва могло
поддерживать на должном уровне уже существующие. В V в. по этим дорогам пришли варвары
— ведь у любой дороги два конца, а все дороги вели в Рим.
СРЕДНИЕ ВЕКА И ВОЗРОЖДЕНИЕ
ТЕХНИКА ВОСТОКА И ЗАПАЛА. МЕСТО ВСТРЕЧИ — ЕВРОПА
В 476 г. вождь германских наёмников в Риме Одоа’кр низложил последнего императора
Ро'мула Авгу'стула и провозгласил себя королём Италии. Могущественная Римская империя
прекратила своё существование. Это историческое событие принято считать началом
Средневековья.
Племена, разгромившие Римскую империю, находились, по сути, на доисторическом уровне
развития: они не знали письменности, одевались в шкуры вместо одежд из шерсти и льна. Но
варвары проявили замечательную способность быстро перенимать и совершенствовать чужие
технические и культурные достижения. По прошествии веков их потомки научились понимать
и ценить памятники разрушенной античной культуры, сохранившиеся на территории Италии,
Византии, некоторых стран Ближнего и Среднего Востока. Без освоения наследия древних, без
общения и обмена достижениями с другими цивилизациями и культурами — арабской,
византийской, индийской, китайской — современная европейская техническая цивилизация
была бы просто невозможна. Конечно, отсутствие хороших дорог и трудности, связанные с
мореплаванием, долгое время замедляли эти процессы. В то же время существовали области,
где культуры Востока и Запада соприкасались непосредственно.
В VII в. арабские племена захватили обширные пространства за пределами Аравийского
полуострова. К 715 г. они добрались до Гибралтара и стали постепенно распространяться по
Пиренейскому полуострову. Арабские мусульманские государства — халифаты —
существовали здесь
Папа Римский Сильвестр II. Гравюра на дереве работы Э. Шевиньяра.
61
КОМПАС
Ни одно другое устройство не оказало столь большого влияния на последующее развитие
мореплавания, как магнитный компас (от лат. compasso — «измеряю»). Принцип его действия
прост: не стеснённый в движении кусочек магнита всегда разворачивается так, что указывает
одним концом на магнитный полюс Земли. А поскольку магнитный полюс расположен
недалеко от географического северного полюса, компас начали использовать для определения
направления на север. Первый компас сделали в Китае за 1000 лет до н.э. Магнитную стрелку
закрепляли на куске пробки, который свободно плавал в воде. Этот несложный прибор помогал
ориентироваться в пустынной местности.
В Европу компас попал с Востока только в Средние века; самые ранние упоминания о нём
относятся к XII—XIII вв. Очень скоро компас стал главным навигационным прибором. Его
конструкция постоянно совершенствовалась. Применяемый в наши дни морской компас уже
достаточно сложное устройство, а точность его показаний достигает нескольких десятых долей
градуса.
до XV в. Всё это время европейцы имели возможность непосредственно знакомиться с их
высокой по тем временам культурой, воспринявшей многие достижения античности. Известно,
что глава католического мира Сильвестр II, еще, будучи простым монахом Гербертом, побывал
в Кордовском халифате, где позаимствовал, например, арабские цифры и конструкцию
античного небесного глобуса.
В 1096 г. толпы плохо вооружённых крестьян, отряды профессиональных солдат-наёмников и
рыцарские дружины во главе с владетельными баронами и графами двинулись из Европы на
войну с мусульманами, захватившими Иерусалим. Так начался
Первый крестовый поход за освобождение Святой земли (Палестины) и Гроба Господня.
Католическая церковь сулила всем его участникам отпущение грехов. К 1099 г. крестоносцы
освободили Иерусалим и основали Иерусалимское королевство, продолжавшее непрерывно
воевать с мусульманами. Всего с 1096 по 1291 г. было совершено восемь крестовых походов. В
конце концов, под натиском приверженцев ислама крестоносцы утратили все свои владения на
Востоке. Однако во время крестовых походов европейцы не только сражались. Они впервые
столкнулись с византийской и арабской культурами. И многое позаимствовали.
В 1197 г. на трон Сицилийского королевства взошёл Фридрих II из династии Гогенштауфенов.
В годы его правления здесь сложилась уникальная культура, вобравшая элементы античности,
иудейской и арабской мудрости, средневековой религиозности и норманнского здравого
смысла. Королевство Фридриха нередко именуют «республикой учёных»: здесь процветали
естественные науки, философия, поэзия, математика; почитались и переводились книги
древних.
Период после падения Римской империи и до X в. иногда называют Тёмными веками. Тем
самым подчёркивают и скудость письменных свидетельств о той эпохе, и определённый
регресс в культуре. И всё же именно тогда были изобретены либо существенным образом
усовершенствованы и прочно вошли в обиход привычные нам мышеловка, очки, бумага, порох,
сталь, конская подкова, сбруя и стремена, шёлк, мыло, ветряная и водяная мельницы, тяжёлый
плуг, винный пресс, колёсное веретено и др. История многих изобретений почти полностью
сокрыта от нас в глубине времён. Неизвестны не только имена изобретателей, но и то, в какой
стране, в каком веке произошло то или иное открытие.
КОЛЁСНЫЙ ПЛУГ. Самые ранние упоминания о колёсном плуге, который использовался в
Малой Азии, относятся к I в. Оставил их римский пи-
Фридрих II Гогенштауфен. Миниатюра. XIII в.
Крестоносцы в походе. XIII в.
62
сатель и учёный Плиний Старший (23 или 24—79). В Европе плуг появился в долине Рейна не
позднее VIII в. Есть, впрочем, указания на то, что это устройство славяне применяли уже в V в.
От них оно могло попасть через Северную Италию и на Рейн.
С колёсным плугом в сельское хозяйство Северной Европы пришли серьёзные перемены.
Вместо двухпольной системы землепользования утвердилась трёхпольная: одна треть участка
засевалась яровыми, другая — озимыми зерновыми культурами, а последняя оставалась под
паром, благодаря чему восстанавливалась структура почвы. Каждый год участки менялись. Так
поддерживалось высокое плодородие почвы при глубокой вспашке. Затем в плуг стали
впрягать лошадь, а не вола — когда изобрели
упряжь с жёстким хомутом и боковыми ремнями.
Всё это привело к образованию излишков продовольствия, что, в свою очередь, способствовало
появлению новых и росту старых городов, постепенно сливавшихся с пригородами. В
результате оживилась торговля продукцией сельского хозяйства и быстро развивавшегося
ремесленного производства. Нараставший экономический подъём вызвал, в конечном счете,
тот расцвет культуры, который Европа пережила в начале XI в.
МЕТАЛЛУРГИЯ. На протяжении Средних веков постоянно увеличивалась потребность в
железе. Францисканский монах Варфоломей Английский писал в XIII в.: «Со многих точек
зрения железо более полезно, чем золото... Без железа народ не смог бы ни защититься от своих
недругов, ни поддержать господство общего права; благодаря железу обеспечивается защита
невинных и карается наглость злых. Точно так же и всякий ручной труд требует применения
железа, без которого нельзя ни обработать землю, ни построить дом».
Как на Западе, так и на Востоке чугун из железной руды начали
ВЕЛИКИЙ МЕЧТАТЕЛЬ
В Средние века жил замечательный английский философ и естествоиспытатель Роджер Бэкон
(около 1220—1292), которого считают одним из основоположников экспериментального
метода. Он предсказывал, что наступит время «самодвижущихся повозок», летательных
аппаратов, подводных лодок, что когда-нибудь с помощью более совершенной оптической
техники можно будет читать мельчайшие буквы с огромного расстояния и считать песчинки на
земле. Удивительно, что эти слова были сказаны в XIII в.
Роджер Бэкон.
Гравюра на меди с портрета XIII в.
Тяжёлый плуг. XII в.
Упряжь с хомутом. XII в. Рыцарское облачение. XIII—XVI вв.
63
МЕЛЬНИЦЫ В СРЕДНИЕ ВЕКА
Водяные мельницы, унаследованные от Античной эпохи, в Средние века применялись сначала
только для помола зерна. В Британии они появились в 340 г., в Богемии (Чехия) — в 718 г., а во
Франции — в IX в. До наших дней сохранились материалы земельной переписи, проведённой в
1086 г. в Англии. В них упомянуто уже 5624 водяные мельницы и указаны места их
расположения.
Водяная мельница (с горизонтально расположенным колесом) в разрезе.
Устройство с ветряным приводом для осушения местности.
Мельницы другого типа — ветряные — известны с середины VII в., когда их впервые стали
строить на территории Персии. В Нидерландах, где издревле боролись с морем за каждый
клочок земли, пригодной для сельского хозяйства, именно с помощью ветряных мельниц с X—
XI вв. осушали большие территории. Сначала возводили земляные дамбы, отгораживающие
мелководный участок морского залива, а затем сооружали мельницы с водоотливными
колёсами. Они неустанно, день и ночь — был бы только ветер! — откачивали воду.
выплавлять ещё во времена античности. Первые доменные печи появились в VI—IV вв. до н.э.
В Европе железо обрабатывали главным образом ковкой. Важность этого ремесла и
непонимание его секретов непосвящёнными превращали кузнеца в фигуру прямо-таки
культовую — его почитали и боялись. В Китае широкое распространение получило литьё. В
Европе эту технологию впервые применили в Швеции лишь в середине XII в. Некоторые
историки считают, что её могли привезти из Китая викинги, ранее селившиеся на Волге.
Производство железных предметов непрерывно улучшалось за счёт совершенствования ковки и
повышения температуры в печи. Настоящей революцией стало изобретение силового привода
от водяных мельниц к молотам и кузнечным мехам.
БУМАГА. Изобрели бумагу во II в. китайцы. Технологию её получения они хранили в
строжайшей тайне. Раскрыт секрет был лишь в VIII столетии арабами. В 793 г. в Багдаде
построили первую бумажную фабрику, и постепенно новый материал распространился по
всему арабскому миру. Бумага стала использоваться не только для письма, но и как
упаковочный материал, появились бумажные салфетки и скатерти. Примерно в то же время
бумагу начали
64
Примерно в то же время люди поняли, что мельничный двигатель можно использовать для
выполнения любой работы, требующей больших затрат мускульной энергии. Нужны были
только специальные механизмы, обеспечивающие передачу усилий с вала, вращаемого
лопастями ветряка или водяным колесом, на другой вал. Этот вал следовало расположить под
углом и соединить с техническими устройствами, преобразующими вращательное движение в
прямолинейное и возвратно-посту-
Водяная мельница (с вертикально расположенным колесом) в разрезе.
Ветряная мельница.
пательное движение рабочей машины. И такие механизмы изобрели. Водяные двигатели
начали применять в самых разных областях промышленности — в производстве сукна и
пороха, для дробления руды, откачки воды из шахт и приведения в действие кузнечных мехов.
Появились сложные передаточные механизмы, с помощью которых от одного двигателя
работали две машины и более. Мельницы стали основным типом двигателя в ремесленном и
мануфактурном производстве, и так было до тех пор, пока не создали универсальный паровой
двигатель.
делать в Европе. Но вместо мускульной энергии людей и животных здесь применили водяной
привод.
БОЕВАЯ КАВАЛЕРИЯ. Одним из главных совместных достижений Запада и Востока в
области военного искусства считается создание боевой кавалерии. Её возникновение стало
возможным лишь после появления стремян, без которых нельзя наносить удар копьём, не падая
при этом с лошади. Родина стремян — Индия (II в.). В конце VIII в. через Китай они попали в
Европу. Дополнительную устойчивость всаднику придавала жёсткая лука тяжёлого боевого
седла с одной подпругой, изобретённая в
*Лука' — выступающий изгиб переднего или заднего края седла.
*Подпру'га — ремень седла, затягиваемый под брюхом лошади.
65
СРЕДНЕВЕКОВОЕ МОРСКОЕ СУДОХОДСТВО
В XIII—XIV вв. в Европе особенно быстро развивалась торговля. Этому способствовало
оживление морского судоходства: перевозить грузы морем, минуя многочисленные
государственные границы, было гораздо дешевле, да и безопаснее, несмотря на штормы и
кораблекрушения.
На Средиземном море стали строить высокобортные вместительные нефы (фр. nef—
«корабль»), в Северной Европе — когги, похожие на нефы. На коггах перевозили грузы купцы
могущественной Ганзы — торгового союза северонемецких городов.
Суда русских мореходов — поморов, живших на побережье Белого и Баренцева морей, могли
плавать среди льдов. На них поморы в поисках тюленей, моржей и пушного зверя сквозь льды
доходили до Берингова пролива, отделяющего Азию от Америки, и полуострова Камчатка.
Освоили поморы, по-видимому, в XI—XII вв., и архипелаг Гру'мант (ныне Шпицберген).
По морским дорогам ходили не только мирные суда. Скандинавы-викинги совершали далёкие
морские походы. Они первыми доплыли до берегов Северной Америки и основали там
поселения, позже брошенные. Вооружённые отряды викингов наводили ужас на прибрежные
города Европы. Морские разбойники — пираты — нападали на торговые суда в водах
Средиземного моря, а позже и у берегов Америки.
Уже на исходе Средневековья, в 1492 г., суда экспедиции Христофора Колумба пересекли
океан и достигли островов у неизвестного европейцам континента — Америки. Несколько лет
спустя Васко да Гама обогнул Африку и приплыл в Индию.
Торговля с заморскими странами вызвала невиданный спрос на продукцию горно-
металлургической промышленности, а также ремесленных мастерских и мануфактур в Европе.
По мере развития мореплавания совершенствовался и военный флот. Появились быстроходные,
вооружённые мощной артиллерией боевые парусные корабли. Их конструкция непрерывно
совершенствовалась, до тех пор, пока им на смену — уже в XIX в. — не пришли пароходы.
ЯН
1. Дромон — основное боевое византийское судно.
2. Арабское судно дау по водоизмещению не уступало каравеллам. Длина его достигала 30
м, а осадка — 2—2,5 м.
3. Судно викингов. У разных народов оно называлось «дракон», «драгон», «драккар»,
«драккер», «дрейк». На таких судах в VIII—IX вв. викинги неоднократно нападали на
Лондон, Париж, Гамбург. Обычно несколько драккаров внезапно подходили к берегу, воины
быстро высаживались и грабили население.
4. Судно викингов в разрезе.
5. Ганзейский порт. XIV—XVI вв.
Каракка. XV в. Ещё древнегреческий историк Геродот упоминал лёгкий парусник
«керкура». Средневековые арабы сделали его трёхпалубным
и назвали «куркура». Судно оценили мореходы Северной Европы и окрестили его
«караккой». В Голландии этот парусник именовали «каравель» — отсюда название
«каравелла».
Испанская каравелла. XV в. Размеры этого судна позволяли разместить на борту
сравнительно большой экипаж, а также запас продовольствия
и пресной воды на несколько месяцев. Неудивительно, что большинство Великих
географических открытий было сделано именно при участии каравелл.
Машина, которая дробит, размалывает, промывает золотую руду и смешивает золото с
ртутью. Старинная гравюра. Основное колесо приводится в движение водой.
конце VI в. В результате конник как бы сливался в единое целое с лошадью и мог использовать
её силу при ударе копьём. Примерно в конце IX в. стали пользоваться металлическими
удилами, позволявшими гораздо лучше управлять лошадью, а к концу XI в. появились и шпоры.
Все элементы снаряжения в комплексе давали ощутимый эффект в ходе боя. Первыми оценили
это норманны. И хотя стремена попали к ним позднее, чем к китайцам или арабам, именно
норманны, благодаря своей кавалерии, считались лучшими воинами не только в Европе, но и в
Азии.
МЕЛЬНИЦЫ. С Востока в Европу пришло одно из главных технических устройств
Средневековья — мельница. Водяные мельницы мололи зерно ещё до новой эры в Китае и
Индии, ветряные же впервые появились в Персии. И те и другие попали в Европу как наследие
античной культуры. Здесь они были усовершенствованы и приспособлены для промышленного
применения.
РОСТ ГОРОДОВ. Экономический и социальный подъём XI в. выразился в росте населения.
Разумеется, никаких переписей населения тогда не проводилось. Поэтому любые подсчёты
носят лишь приблизительный, оценочный характер. Но даже эти оценки весьма показательны.
По данным Чиполлы, приведённым в его книге «Экономическая история Европы», за период с
650 по 1340 г. население Европы выросло с 18 млн. до 73,5 млн. человек. Всё больше людей
жили в городах. Если в 737 г. только в Александрии, Константинополе, Антиохии, Басре и
Дамаске число жителей превышало 25 тыс., то к 1212 г. таких городов было уже 11.
Рост городов имел существенные последствия для дальнейшего развития средневековых
технологий — там складывались благоприятные условия для формирования цехов и гильдий. К
тому же городской образ жизни рождал интерес к учёности. В Европе начали строить
университеты, знакомиться с произведениями античных авторов, сохранившиеся на Арабском
Востоке... Не за горами был 1453 год — год взятия Константинополя турками, конец
Средневековья...
МАСТЕРА И ПОДМАСТЕРЬЯ
В Средние века технические знания и умения передавались по наследству. Дети мастеров
учились изготовлять вещи в точности такими же, какими они получались у их родителей.
Поэтому технологические новшества (новации) появлялись крайне редко и распространялись
медленно.
По мере возникновения новых и роста старых городов, с расширением торговли положение
постепенно менялось. Горожанин уже не хотел одеваться, как крестьянин. Он желал иметь
другую посуду, ювелирные украшения, мебель и т. д. Чем больше требовалось изделий, тем
больше нужно было искусных мастеров. Поэтому мастерские быстро росли и количество
работающих в них ремесленников увеличивалось.
Купец. Миниатюра. XII в.
*Удила" — приспособление из железных стержней, прикреплённых к ремням узды и
вкладываемых в рот лошади при взнуздывании.
Норманны — скандинавы, предпринимавшие завоевательные походы в страны Европы в VIII—
XI вв.
70
Не секрет, что лучше всего работу выполняет опытный мастер. И ремесленное производство
специализировалось. В результате появились мастерские, выпускавшие, например, только
колёса для карет и телег или только бочки. Ремесленники одной специальности объединялись в
общества — це'хи, члены которых жили и работали по специально установленным правилам
(уставам).
В уставах строго оговаривалась организация работ, вплоть до мелочей. В частности,
указывалось, сколько и какого оборудования (например, ткацких станков) мастер может
установить в мастерской; сколько учеников и подмастерьев должно быть у него. Определялись
условия закупки сырья и сбыта продукции, ограничивались права ремесленников, не вошедших
в состав цеха, на производство товаров.
Больше всего в любом цехе было учеников — детей или подростков. Они работали только за
кров и еду, но получали возможность постигать секреты мастерства. По прошествии
«РЕГИСТРЫ РЕМЁСЕЛ И ТОРГОВЛИ ГОРОДА ПАРИЖА». О СУКНОДЕЛАХ
Ниже приведён текст, извлечённый из подлинного цехового устава XII в.
«Никто не может быть парижским сукноделом, если он не купит ремесло у короля, а тот, кто
купил у короля, продаёт право на работу одному дороже, другому дешевле, как ему кажется
лучше...
Никто из сукноделов и никто другой не может и не должен иметь станок в пределах
парижского округа, если он не умеет сам работать на станке или если он не сын мастера.
Каждый парижский сукнодел может иметь в своём доме два широких станка и один узкий, а
вне дома он не может иметь ни одного, если не хочет его иметь на тех же условиях, что и
чужак.
Каждый сукнодел может иметь в своём ломе не более одного ученика и не может брать его
менее чем на четыре года службы и за 4 парижских ливра, или на пять лет за 60 парижских су,
или на шесть лет за 20 парижских су, или на семь лет без денег...
Ученик может выкупиться со службы, если захочет мастер и если он уже прослужил четыре
года; мастер не может его ни продать (уступить), ни отказаться от него, пока он не прослужил
четыре года, ни взять другого ученика, если не случится так, что ученик сбежит, или женится,
или уйдёт за море...
Если ученик убежит от своего мастера по своей глупости или легкомыслию, он должен
возместить мастеру все издержки и все убытки, которые произошли по его вине, прежде чем он
может вернуться к этому же, а не к другому мастеру, если мастер не хочет с ним расстаться...
Никто не может смешивать для сукна шерсть ягнят с обычной шерстью, а если он так делает,
платит за каждый кусок сукна штраф в 10 су, половина из них — королю, другая — старшине и
присяжным за их заботу и труды.
Всё сукно должно быть целиком из шерсти и так же хорошо в начале, как и в середине; а если
оно не таково, то кому оно принадлежит, с какого бы станка оно ни было, за каждый кусок
сукна платит 5 су штрафа: половина — королю, половина — старшине и присяжным за их
заботу и труды...
Никто из этого цеха не должен начинать работу до восхода солнца под угрозой штрафа в 1 2
денье для мастера и в 6 денье для подмастерья, если это не работа по окончанию (куска) сукна,
в таком случае подмастерье может прийти, но только однажды.
Подмастерья-ткачи должны оставлять свою работу, как только прозвонит первый удар
колокола к вечерней службе, в каком бы приходе они ни работали...»
71
нескольких лет ученик мог стать подмастерьем и самостоятельно выбирать, где ему жить и
работать. Теперь он получал плату за свой труд и принимал участие в обучении учеников.
Мастеров было гораздо меньше, но прав у них — не в пример больше. Лишь они владели
секретами мастерства и определяли, когда ученика можно считать подмастерьем, а подмастерье
— мастером. Мастерам принадлежало оборудование, они же решали, когда и чему учить
учеников. Согласно цеховым уставам, право делать изобретения принадлежало исключительно
мастерам. По мере того как имущественный барьер между ними и подмастерьями
увеличивался, а мастера из руководителей превращались во владельцев производства,
возможности для внедрения технических новации уменьшались. Конечно, знающий
подмастерье и сам мог сделать изобретение, но ему было не по силам обойти мастера, если тот
не желал ничего менять в организации производства.
В XIV—XV вв. появились «вечные подмастерья» и «странствующие подмастерья». В то время
ссоры между мастерами и подмастерьями считались в порядке вещей. По цеховым правилам,
отстранённому от работы подмастерью полагалось каждое утро выходить на специально
оговорённое место (обычно на рыночную площадь), где его могли нанять. От предложенной
работы отказываться не разрешалось. Чтобы освободиться от обязательств, взятых на себя при
вступлении в цех, подмастерье должен был покинуть город.
ТЕХНИЧЕСКИЕ ИДЕИ ЭПОХИ ВОЗРОЖДЕНИЯ
В XIV—XVI столетиях в культуре и технике Италии, а позже и других стран Европы
произошли важные изменения, подготовившие переход от Средневековья к Новому времени.
Прежде всего, стал возрождаться интерес европейцев к полузабытому наследию разрушенной
античной культуры. Отсюда и название периода — эпоха Возрождения, или Ренессанс (фр.
renaissance). В этот сравнительно короткий промежуток истории жили знаменитые учёные и
инженеры — Леонардо да Винчи и Леон Баттиста Альберти, Николай Коперник и Галилео
Галилей; были сделаны великие географические открытия; быстро развивались науки:
математика, астрономия, механика, биология, геология. Изобретения эпохи Возрождения
оказали огромное влияние на всю последующую историю человечества.
КНИГОПЕЧАТАНИЕ
По своему историческому значению изобретение технических устройств
для печатания книг можно сравнить разве что с изобретением в древности колеса или
письменности. Печатание книг большими тиражами, несравненно более дешёвое, чем
переписывание от руки, сделало знания общедоступными.
Как и многие другие изобретения, книгопечатание возникло не на пустом месте. Элементы
типографской технологии и техники накапливались постепенно. Например, способ
размножения вырезанных на деревянной доске изображений был известен в Европе в середине
XIV в. Подобным образом переписчики воспроизводили в рукописях узорные буквицы и
орнаменты, украшавшие листы. Со временем мастера научились вырезать на досках весь текст,
чтобы потом делать оттиски-копии на бумаге. Позже его стали набирать из маленьких кубиков,
на каждом из которых была только одна буква. Набранную страницу заливали расплавленным
мягким металлом, например свинцом. После его затвердевания получалась готовая форма, с её
по-
Иоганн Гуттенберг,
'll
ПОРОХ И ОГНЕСТРЕЛЬНОЕ ОРУЖИЕ
Изобретение пороха и огнестрельного оружия — одно из великих открытий в истории техники.
Историки утверждают, что дымный порох — смесь 75 % селитры, 10 % серы и 15 % угля —
впервые был получен в Китае задолго до того, как стал известен в Европе. Такая смесь
способна быстро и устойчиво гореть при очень высоком давлении, образуя большое количество
газов. Китайцы использовали её для запуска ракет во время праздничных фейерверков.
В XII в. порох узнали арабы. Они изобрели лёгкое огнестрельное оружие — заряжавшиеся
порохом железные трубки. В Европе огнестрельное оружие появилось в XIV в. Это были
толстые, гладкие внутри железные трубы, закреплённые на деревянных станках — лафетах — и
стрелявшие ядрами. В конце того же столетия появились первые гладкоствольные ружья —
аркебузы (фр. arquebuse).
Первые образцы огнестрельных устройств оказались крайне неудобными для ведения боевых
действий. Но после того как в XV—XVI вв. изобрели зернистый порох, а стволы орудий начали
отливать из бронзы и чугуна, артиллерия превратилась в достаточно подвижное, мощное и
грозное оружие, пригодное и для полевых сражений, и для осады крепостей.
В первой половине XVI в. придумали мушкеты (фр. mousquet) — ружья с курком, снабжённым
тлеющим фитилём. Они стреляли пулями массой около 50 г и попадали в цель с расстояния до
300 шагов. В 1520 г. изобрели пистолет и колёсный замок для поджигания заряда. Так
произошло разделение огнестрельного оружия на ручное,
Из собрания оружия, принадлежавшего императору Александру II.
стрелковое, и тяжёлое, артиллерийское. С появлением огнестрельного оружия изменились
способы ведения войны. Повлияло это и на фортификацию — строительство крепостей и
других оборонительных инженерных сооружений. Повышенный спрос на новые виды оружия
привёл к быстрому развитию металлургии, а значит — к увеличению добычи железной, медной
и оловянной руд.
мощью можно было напечатать уже не один, а много оттисков.
Первым, кто соединил все эти изобретения в одном техническом устройстве и придумал
технологию, обеспечившую печатание удобных для чтения ровных строк, стал немецкий
мастер Иоганн Гуттенберг (между 1394 и 1406—1468). В середине XV в. в городе Майнце он
отпечатал Библию. Книга имела по 42 строки на странице, у неё не было ни титульного листа,
ни нумерации страниц. Отдельные экземпляры этого первого в истории печатного издания
хранятся в музеях как величайшие сокровища.
До конца XV столетия типографии появились в Италии, Швеции, во Франции, в Дании и
других странах. Количество книг резко возросло; не случайно, что, начиная с XVI в. ведёт свою
историю большинство крупнейших европейских библиотек.
Печатный станок Гуттенберга.
Реконструкция.
*На титульном листе издания размещают его заглавие, фамилии авторов, год издания, название
издающей организации и т. д.
73
В России первую типографию основал в 1563 г. Иван Фёдоров (около 1510—1583). В 1564 г. он
вместе со своим соратником Петром Мстиславцем выпустил первую русскую датированную
печатную книгу — «Апостол».
МЕТАЛЛУРГИЯ И ГОРНОДОБЫВАЮЩАЯ ПРОМЫШЛЕННОСТЬ
Профессор Георг Бауэр (1494—1555) преподавал греческий язык в Университете немецкого
города Цвиккау. Его имя вряд ли дошло бы до нашего времени, если бы в 1518 г. он
неожиданно не бросил классические языки и не начал изучать горное дело наряду с медициной,
химией и философией. Обобщив накопленный к тому времени опыт горно-металлургического
производства, учёный опубликовал в 1550 г. трактат «О металлах» в 12 книгах под
псевдонимом Агрико'ла. Книги эти служили своего рода энциклопедиями горного дела вплоть
до промышленного переворота. Сегодня сочинения Бауэра — один из самых полных и
достоверных источников сведений о
Типографский знак Пеана Фёдорова.
Портрет автора и титульный лист mi книги Г. Атриколы «О металлах».
Базель, 1554 г.
VcrpMkTW системы насосов в старинном
руднике. Из книги Г. Атриколы *О металлах».
Базель, 1556 г.
__________________
Раскрашенная гравюра из книги Г. Атриколы
•О металлах». Базель, 1556 г.
74
Горный ландшафт с шахтами и горными работами.
Роспись алтаря церкви Святой Анны в Аннаберге. 1521 г.
средневековой металлургии и горном деле.
Георг Агрикола разработал классификацию добываемых горных пород, впервые применил к
полезным ископаемым понятия «чистый» и «смесь», изобрёл и усовершенствовал несколько
машин, применявшихся в горнорудном деле.
ГОРОДСКОЕ СТРОИТЕЛЬСТВО
В эпоху Возрождения многие европейские города приобрели свой неповторимый облик. Новые
архитектурные идеи опирались на античные образцы, переосмысленные и
75
Собор Санта-Мария дель Фьоре во Флоренции. 1420—1486 гг.
улучшенные современными архитекторами. Эти идеи воплощались в камне с помощью более
совершенных строительных технологий. В то время построены не превзойдённые по своей
красоте базилика Святого Петра в Риме и собор Санта-Мария дель Фьоре во Флоренции. В
Париже были возведены знаменитый собор Парижской Богоматери, старейший из
сохранившихся до наших дней Новый мост, начато строительство Лувра и новой ратуши. А вот
уборка улиц и их освещение, водоснабжение городов и канализация — словом, состояние всех
городских служб — даже к середине XVI в. не достигли того уровня, который знал Древний
Рим. Воду брали из реки в черте города и вручную переносили в дома; поэтому её, как правило,
не хватало. Грязь и отходы скапливались на мостовых и в сточных канавах, вызывая эпидемии
страшных болезней, например чумы, уносивших тысячи жизней.
В эпоху Возрождения с этим злом начали бороться: строились водозаборные системы, на смену
сточным канавам пришли канализационные трубы. Во многих городах стали следить за
чистотой протекавших в их черте рек. 28 июля 1500 г. парламент Парижа принял специальные
постановления, предписывающие удалить грязь и мусор с улиц и впредь проводить такую
уборку регулярно, для чего ввести новый налог с горожан. Спустя десять лет Людовик XII
повелел парижанам не только платить налог, но и самим поддерживать чистоту и исправность
мостовых на улицах перед своими домами.
Чтобы предотвратить наводнения и улучшить условия для судоходства по рекам, укреплялись
их берега и сооружались каналы. В рукописях Леонардо да Винчи сохранился любопытный
проект строительства канала на реке Арно, на берегах которой расположена Флоренция.
Леонардо предлагал поддерживать постоянный уровень воды в канале с помощью больших
резервуаров, накапливающих воду во время дождей и таяния снегов.
В эпоху Возрождения знания человека о мире существенно расширились. Теория Николая
Коперника разрушила представление о маленьком уютном космосе с Землёй в центре. Стало
ясно, что Вселенная намного больше по своим размерам, а может быть, и вовсе бесконечна; что
человек не находится в центре её, а обитает на крошечном шарике, несущемся в пустоте с
огромной скоростью. Всё это подрывало основы христианского
Новый мост в Париже.
76
ВЕЛИКИЙ ИНЖЕНЕР И ЖИВОПИСЕЦ ЛЕОНАРДО ДА ВИНЧИ
Леонардо да Винчи вошёл в историю прежде всего как гениальный художник эпохи
Возрождения. Но великий итальянец интересовался практически всеми видами искусства и
отраслями знания, как древними, так и возникшими недавно. Помимо произведений
скульптуры и живописи он оставил весьма любопытные труды, оказавшиеся полезными для
геологии и анатомии, математики и механики. Современники же почитали его не только (а
возможно, даже не столько) как художника, но и как инженера.
И всё же техническое творчество Леонардо при его жизни было известно далеко не полностью.
Оно получило достойную оценку лишь по прошествии веков, когда историки обнаружили и
опубликовали рукописи, которые автор зашифровал и спрятал.
Их анализ показал, что главным делом мастера были технические науки. В 1482 г., желая
перебраться в Милан, Леонардо в длинном письме перечислил всё то, чем он сумеет помочь
этому городу в войне против государства Феррара (Северная Италия). Учёный упоминает о
постройке «очень лёгких и крепких мостов, которые можно без всякого труда переносить и при
помощи которых можно преследовать неприятеля, а иногда и бежать от него», о средствах
«жечь и рушить мосты неприятелю», о способах «отводить воду изо рвов» в случае осады, о
пушках-бомбардах, «которые кидают мелкие камни, словно буря, и наводят великий страх на
неприятеля».
Полное перечисление всех изобретений и приспособлений, известных Леонардо, заняло бы
целый том. По стилю его труды напоминают средневековые инженерные книги. В них много
рисунков, часто не связанных друг с другом, они сопровождаются пояснительными текстами.
Всего до нас дошло свыше 6 тыс. рукописных страниц. Этот обширный материал разделён на
кодексы — по темам, указаниям самого учёного, а иногда просто в зависимости от
обстоятельств, при которых рукописи были обнаружены. Так, самый большой кодекс,
насчитывающий около 1000 страниц, собран скульптором Помпео Леони (1533— 1608). За свой
объем, он получил название «Кодекс атлантикус», в честь древнегреческого титана Атланта.
Отдельные части «Атлантикуса», написанные между 1492 и 1499 гг., свидетельствуют о том,
что
ученый сделал поистине революционный шаг в технике: он создал теоретические основы
инженерной практики, т. е., по сути, превратил инженерное дело в теоретическую дисциплину.
Кроме того, Леонардо пришёл к различению понятий машины и её элементов — механизмов и
деталей — и классифицировал известные тогда кулачковые механизмы, винтовые передачи,
разнообразные зубчатые зацепления.
Гениальный мыслитель считал науку высшей формой знания и отмечал, что «никакое
человеческое знание нельзя считать наукой, если оно не располагает математическими
доказательствами». И потому стремился найти математические закономерности и в теории
механизмов, и в живописи, и в архитектуре.
Чертёж из рукописи Леонардо да Винчи. Мадридский кодекс 1495 г.
Реконструкция летательного аппарата по рисунку Леонардо да Винчи.
77
мировосприятия. В своём отношении к окружающему миру человек не мог уже опираться
только на веру в Бога и был вынужден всё чаще рассчитывать
на свой разум. Начиналась новая эпоха — эпоха рационализма и критического отношения к
действительности, получившая название Нового времени.
ВЗЛЕТ И ПАДЕНИЕ МАНУФАКТУРЫ
К XVI в. ремесленный — ручной — труд достиг, казалось, предела совершенства. Каждый
мастер безупречно изготовлял какой-нибудь один предмет, и превзойти его в этом считалось
невозможным. О специализации работ и инструментов того времени говорит такой пример:
ремесленники английского города Бирмингема использовали более 500 разновидностей только
молотков, и каждый вид был приспособлен для какой-то одной трудовой операции!
Но рынок требовал всё больше товаров, спрос на продукцию быстро рос. Увеличить её выпуск
можно было, увеличив число мастеров и мастерских. Однако цехи, защищавшие интересы
ремесленников, ограничивали численность мастеров, а значит, и объём производимых товаров.
Это сдерживало развитие торговли.
И тогда наживавшиеся на скупке и продаже товаров торговцы стали вмешиваться в
организацию производства. Прежде всего, они взяли в свои руки снабжение мастерских
сырьём. Затем начали диктовать условия скупки готовых изделий, устанавливать их количество
и раздавать заказы, невзирая на уставы цехов. Постепенно мастера попадали в зависимость от
тех, кто поставлял им материалы, скупал готовую продукцию, а впоследствии предоставлял
помещения и технику. Например, многие мастерские располагались у водяных мельниц, и по
договорённости с хозяином мельницы самую трудоёмкую работу выполняли её водяные
двигатели.
Увеличение спроса на продукцию ремесленников привело к возникновению мануфактуры (от
лат. manus — «рука» и factura — «изготовление»). Это предприятие, основанное на разделении
труда между мастерами внутри одной мастерской или между несколькими мелкими
мастерскими. Владелец мануфакту-
Валяльная машина с приводом от водяного колеса. XVI в.
Гравюра. XVIII в.
78
ры, обычно торговец в прошлом, закупал сырьё оптом, т. е. большими партиями. Так было
дешевле. Он же выступал организатором производства и сбыта товаров. Естественно, что и
получаемая прибыль доставалась только ему. Главные преимущества мануфактуры перед
прежними ремесленными мастерскими — отсутствие ограничений на количество выпускаемой
продукции и значительное повышение производительности труда каждого работника за счёт
упрощения трудовых операций. Товары, выходившие из стен мануфактуры, были дешевле
изготовлявшихся ремесленниками.
Наибольшее развитие мануфактура получила в текстильной промышленности. Спрос на её
товары — ткани из шерсти, льна и хлопка — был особенно высок. В России мануфактуры
возникли в XVII в., а их расцвет пришёлся на вторую половину XVIII в.
В Европе век мануфактур оказался недолгим. Уже к середине XVII в. организованный по-
новому ручной труд исчерпал все свои возможности и перестал удовлетворять растущие
потребности в товарах. В конце XVIII — начале XIX в. мануфактуры
постепенно стали вытесняться фабриками и заводами, оборудованными новыми паровыми
двигателями и рабочими машинами (см. статью «Промышленный переворот»).
Мастерская по обработке металлов.
Гравюра из книги Г Агриколы «О металлах».
Базель, 1556 г.
НАУКА И ТЕХНИКА НОВОГО ВРЕМЕНИ
НАУЧНАЯ РЕВОЛЮЦИЯ XVII ВЕКА
Прошло почти полтора века после появления книги Коперника «Об обращениях небесных
сфер», когда в 1687 г. были опубликованы «Математические начала натуральной философии»
Исаака Ньютона. К тому времени коренным образом изменились не только знания о природе,
но и способы её изучения. Основы классической механики Ньютона как бы подвели итог
научным открытиям XVII в., которые совершили революцию в науке. С тех пор её историю
принято делить на два больших периода: до и после выхода в свет великой книги.
Революции в физике, химии или другой естественной дисциплине происходят, если становится
ясно, что её основная теория не может объяснить всех накопившихся экспериментальных и
теоретических фактов и находится в состоянии кризиса. Тогда эту теорию заменяют на другую.
Так произошло в начале XX столетия, когда возникли теория относительности и квантовая
механика. Но научная революция XVII в. утверждала нечто более значительное — но-
Исаак Ньютон. Гравюра Г. Кнеллера из издания 1831 г.
80
вый научный метод, основанный на рациональном обобщении результатов экспериментов,
поставленных для проверки ранее выдвинутых гипотез. Наука Нового времени стремилась к
синтезу наблюдения и математического расчёта, техники и науки. А потому её невозможно
представить без постоянного совершенствования измерительных приборов.
Важность повышения точности измерений и создания новых научных приборов хорошо
понимали ещё учёные эпохи Возрождения. Датский астроном Тихо Браге (1546—1601) в
обсерватории Ураниборг близ Копенгагена изготовил целый набор великолепных
астрономических приборов. Предмет гордости Браге — огромный квадрант радиусом около 2
м. С его помощью учёный мог определять координаты звёзд с небывалой до того точностью —
до 5 угловых секунд. Итогом наблюдений, длившихся 20 с лишним лет, стал каталог более чем
1000 звёзд. Результаты этой титанической работы использовал ученик и помощник Браге —
выдающийся немецкий астроном Иоганн Кеплер (1571 —1630) для вывода своих знаменитых
законов движения небесных тел.
Один из основоположников нового научного метода — Галилео Галилей (1564—1642) был не
только гениальным учёным, но и блестящим инженером. Первая самостоятельная работа
Галилея — определение удельного веса посредством изобретённых им гидростатических весов.
Техническому изобретению Галилей посвятил и первую публикацию, в которой описал
пропорциональный циркуль для военно-инженерных работ. В своём доме в Падуе учёный
устроил механическую мастерскую, по существу исследовательскую лабораторию, где кроме
самого Галилея трудились его помощники, а также литейщики, токари и столяры. Как военный
инженер, Галилей написал два руководства по фортификации (строительству крепостей и
других оборонительных сооружений).
Таким образом, многие великие открытия естествоиспытателей, совершивших в XVIII столетии
революцию в науке, прямо или косвенно связаны с не менее великими техническими
изобретениями.
Галилео Галилей. Гравюра из издания первой трети XIX в.
ЧАСЫ
Человек давно научился определять время: ночью — по положению звёзд и Луны на
небосклоне, а днём — по длине тени, отбрасываемой предметами в разные часы дня.
Солнечные часы — привычный атрибут центральных площадей античных городов. Если же
возникала необходимость измерить небольшой промежуток времени, использовали переносные
водяные или песочные часы: их содержимое тоненькой струйкой перетекало или пересыпалось
через маленькое отверстие из одного сосуда в другой. Подобные часы до сих пор применяют в
поликлиниках при проведении медицинских процедур. Некоторые естествоиспытатели
древности измеряли время по... пульсу. Наверное, они считали, что частота сердцебиения
никогда не изменяется. С XI столетия в городах начали устанавливать механические башенные
часы с колёсами и гирями. Позже их соединили с устройством для боя, оповещавшего о том,
который
*Квадрант — старинный астрономический инструмент для измерения высоты небесных светил
над горизонтом и угловых расстояний между ними.
81
Механизм башенных часов. XIV в.
час. Из-за неравномерности хода таких часов сторожам приходилось то и дело выверять их
показания по Солнцу и передвигать стрелки вручную. Впрочем, точность времени в те годы —
понятие весьма условное: первые башенные часы не снабжались минутной стрелкой. В ходу
была поговорка: «Когда Бог создал время, он сделал его много».
Карманные часы с боем появились в 1505 г., после того как мастер Пётр Генлайн из Нюрнберга
заменил гирю пружиной. Часы эти называли «нюрнбергскими яйцами».
В XVI в. обычным делом стали регулярные рейсы через Атлантику, поэтому задача
определения местоположения корабля в открытом море стояла достаточно остро. Как известно,
положение судна можно найти по двум координатам — широте и долготе. Широту измерить
относительно просто — по углу над горизонтом Полярной звезды. Установить долготу тоже
нетрудно, если известна разница между местным временем и временем на некоем нулевом
меридиане.
В качестве нулевого в 1675 г. выбрали меридиан, проходящий через город Гринвич
(Великобритания), где была построена Королевская обсерватория. Но как узнать время по
Гринвичу, находясь за тысячи миль от берегов Англии? Вот если бы удалось сделать точные
часы, которые могли бы «хранить» время после выхода корабля из порта... В 1474 г. немецкий
астроном Региомонтан предложил метод определения долготы по так называемым лунным
расстояниям, т. е. по взаимному расположению Луны и других небесных тел. Луна и звёзды в
данном случае играют роль небесного хронометра. Однако для реализации идеи Региомонтана
требовались таблицы лунных расстояний, аккуратные измерения и многочисленные
вычисления. Лишь спустя без малого три века, в 1755 г., другой немецкий астроном, Тобиас
Майер, опубликовал точные
*Хроно’метр (от грея, «хро'нос» — «время» и «мё'трон» — «мера») — особо точные часы, ход
которых практически не зависит от колебаний температуры, механических вибраций, тяги
пружины; применяется в навигации для хранения времени нулевого меридиана.
82
лунные таблицы. Метод лунных расстояний стал основным в морской навигации в XIX в. Пока
же моряки должны были обходиться одной координатой и плавать вдоль параллелей.
В конце XVI в. Галилео Галилей открыл явление изохронности (от греч. «и'сос» — «равный» и
«хро'нос») колебаний маятника: время, за которое маятник совершает одно колебание, не
зависит от его размаха — амплитуды. Уже в конце жизни учёный придумал, как использовать
своё открытие для измерения времени, и изобрёл анкерный механизм. Независимо от Галилея к
той же идее в 1655 г. пришёл голландец Христиан Гюйгенс (1629— 1695). В 1658 г. он
подробно описал принцип регулирования хода часов при помощи маятника и анкерного
механизма в книге «Часы».
Тем не менее, не маятниковым часам суждено было стать «сердцем» морского хронометра. В
1714 г. британское Адмиралтейство предложило премию в 20 тыс. фунтов стерлингов тому, кто
сможет сделать хронометр, позволяющий определить долготу корабля после шестинедельного
плавания с точностью до 30 морских миль. Для этого часы должны спешить или отставать не
больше чем на 3 с в день. Оказалось, что маятник здесь не годится, нужен уравновешенный
крутильный балансир, приводимый в действие пружиной. Однако равномерность хода таких
часов оставалась недостаточной из-за намагничивания и теплового расширения шестерёнок.
Действию тепла был подвержен и сам балансир.
Английский механик-самоучка Джон Гаррисон (1693—1776) решил избавиться от всех этих
проблем, сделав хронометр целиком из дерева. Но и этого оказалось недостаточно.
Потребовалось множество технических ухищрений, чтобы удовлетворить требованиям
Адмиралтейства. В 1762 г. ошибка четвёртой модели хронометра Гаррисона составила всего 5
с, но правительство не выдало премию полностью — выплатило лишь 5 тыс. фунтов в 1765 г.,
— из-за того, что часы останавливались во время подзавода пружины. Избавиться от этого
недостатка изобретатель смог через восемь лет, и только тогда он получил остаток премии.
ИЗОБРЕТЕНИЕ ТЕЛЕСКОПА
В истории техники нередки случаи, когда изобретение связывают не с именем его творца, а с
тем, кто наиболее удачно использовал изобретение или возвестил о нём миру. Например,
первые конструкции телескопов называют именами Галилея, Кеплера и Ньютона, хотя, строго
говоря, никто из них не был первым. Телескоп Галилея состоит из одной выпуклой и одной
вогнутой линз, которые позволяют получить прямое изображение удалённого предмета.
Телескоп Кеплера, где вогнутая линза заменена выпуклой,
Схемы телескопов.
1 — Галилея;
2 — Кеплера;
3 — Ньютона.
*А'нкер (нем. Anker — «якорь») — деталь часов (качающаяся вилка), обеспечивающая
равномерный ход часового механизма.
83
Телескоп Ньютона. Гравюра из издания 1831 г.
Телескопы Галилея.
даёт перевёрнутое изображение. Он неудобен в качестве зрительной трубы, но в
астрономических наблюдениях эта особенность не имеет принципиального значения. В
телескопе Ньютона увеличение достигается не посредством преломления света в линзах, а за
счёт отражения его сферическим (а ещё лучше — параболическим) зеркалом.
Однако о свойствах стеклянных линз и зеркал увеличивать наблюдаемые объекты было
известно задолго до Галилея, Кеплера и Ньютона. Ещё в XIII в. об этом писал Роджер Бэкон, а в
XVI в. — Джамбаттиста делла Порта. Последний долго оспаривал у Галилея право называть
зрительную трубу своим именем.
Первые сколько-нибудь надёжные указания на изобретателей зрительных труб относятся к
началу XVII столетия: в архивах Гааги хранится документ, датированный октябрём 1608 г. Он
свидетельствует о тяжбе между Хансом Липперсхеем (1570—1619) и Якобом Мециусом. Оба
претендовали на получение привилегий и денежной премии за изобретение зрительной трубы.
Победившей стороной признали Липперсхея: его прошение было получено на несколько дней
раньше, а, кроме того, он удовлетворил требование комиссии и сделал инструмент, в который
можно было смотреть двумя глазами. Липперсхею выплатили премию и передали заказ на
изготовление ещё одного такого бинокля от короля Франции Генриха IV. Однако в
привилегиях отказали обоим, поскольку, как указывалось в решении комиссии, и другие лица
были знакомы с прибором. Тем самым выражалось сомнение в том, что именно претенденты
являются авторами изобретения.
В 1655 г. французский врач Пьер Борель опубликовал книгу «Об истинном изобретателе
телескопа». В ней приводились засвидетельствованные в судебном порядке слова Иоганна
Янсена из города Миддельбурга в Голландии. Он сообщал, что его отец, Захарий Янсен,
изобрёл микроскоп и короткую зрительную трубу ещё в 1590 г., а Липперсхей и Мециус
сделали свои копии, пользуясь этой трубой как образцом. Обвинения Янсена трудно проверить,
тем более что выдвинуты они были, когда обвиняемые уже умерли.
Галилей узнал о бинокле Липперсхея, отправленном в Париж Генриху IV, в мае-июне 1609 г. от
Жака Боведера (Якова Бальдовера), своего корреспондента. Боведер предположил, что этот
инструмент может быть полезен в астрономических исследованиях. Галилей, как он сам
говорил, сразу понял, что основным элементом зрительной трубы должны быть два оптических
стекла: одно выпуклое, другое вогнутое. Учёный начал шлифовать стёкла и
экспериментировать с ними. Через некоторое время он достиг успеха.
Но, даже став опытным шлифовщиком, Галилей получал лишь одно пригодное для дальнейшей
работы стекло на шестьдесят негодных. Через месяц после первого успеха учёный сделал
подзорную трубу с десятикратным увеличением. Он демонстрировал её венецианцам на
крепостной башне Святого Марка. Зрители были потрясены: через трубу они видели корабли,
плывущие в море, задолго до того, как могли различить их невооружённым глазом. Галилей
подарил трубу Венецианской республике, за что его пожизненно утвердили в должности
профессора Падуанского университета, определив жалованье в 1000 скудо. В то время
примерно
84
столько же получали профессора медицины, но жалованье профессора математики было в
десять раз меньше.
Постоянно совершенствуя свою трубу и улучшая её линзы, Галилей, в конце концов, добился
30-кратного увеличения — предельно возможного для технического устройства такой
конструкции. Только теперь стали возможны астрономические наблюдения. Это случилось в
конце 1609 г. И тогда люди узнали, что на Луне есть горы; что Млечный Путь не светящийся в
ночном небе туман, а огромное скопление звёзд; что у Венеры, как и у Луны, есть фазы.
Наконец, 7 января 1610 г. Галилей обнаружил спутники Юпитера.
«Чтобы взглянуть в телескоп, — писал историк А. X. Горфункель, — нужно было быть не
только гениальным учёным, но учёным нового толка. Увидеть то, что увидел Галилей (и
поверить своим глазам), мог только учёный, свободный от власти традиций и авторитета, с
иным представлением о человеческом достоинстве, об индивидуальном праве на истину,
добытую своими руками и своим умом, а не полученную из Божественного откровения и
освящённого веками текста».
Благодаря быстрому обращению вокруг Юпитера его спутники представляли собой идеальный
хронометр, по которому можно было бы определять время гораздо точнее, чем по лунным
расстояниям. Проблема, однако, состояла в том, что для наблюдений требовался сильный
телескоп. Малейшее смещение не позволяло удержать Юпитер в поле зрения и делало
невозможными измерения. Но этот метод оказался очень полезным при проведении
геодезических работ на суше. С его помощью к концу XVII в. была практически полностью
прочерчена береговая линия Европы.
В 1668 г. английский математик, астроном и физик Исаак Ньютон (1643—1727) изготовил
первый зеркальный телескоп. С длиной трубы всего лишь 160 мм прибор давал значительное
увеличение и в то же время был в принципе лишён главного недостатка линзовых телескопов
— хроматической аберрации.
МИКРОСКОП
Микроскоп (от греч. «микро'с» — «малый» и «скопе'о» — «смотрю») — это оптический
инструмент, позволяющий получать сильно увеличенное изображение весьма малых объектов.
Микроскопы делят на простые, т. е. состоящие из одной линзы, и сложные — из двух и более.
Простые микроскопы называют также лупами. Первые сложные микроскопы были
изготовлены, по-видимому, ещё в конце XVI в. — возможно, Захарием Янсеном, возможно,
кем-то другим. Иезуит Кристофер Шейнер в своей книге о солнечных пятнах с восторгом
рассказывает о мухе величиной со слона и блохе размером с верблюда, которых он наблюдал в
микроскоп собственного изготовления. Практического применения эти приборы долго не
находили, и в научной литературе XVII в. о них почти не упоминается.
Славу микроскопу принесли работы голландского учёного Антони ван Левенгука (1632—1723 ),
открывшего и изучавшего с его помощью новый мир — мир микроорганизмов. Левенгук не
пользовался сложными оптическими инструментами, не умея их делать, но зато достиг
непревзойдённых результатов в шлифовке крошечных линз для простых микроскопов.
Некоторые его приборы позволяли получить увеличение в 300 раз. Левенгуку приходилось
направлять дополнительное освещение на рассматриваемый объект, что представляло сложную
техническую задачу. Как он это делал, до сих пор неизвестно. За свою жизнь учёный изготовил
более 400 микроскопов.
Помимо микрофлоры, обнаруженной в дождевой воде, воде из прудов и колодцев, в слюне
людей и животных, Левенгук изучал строение клеток растений и челюстей насекомых, дал
первое описание красных кровяных телец. С 1673 г. до конца жизни учёный сообщал о своих
исследованиях Лондонскому королевскому обществу, членом которого был избран в 1680 г.
Там многие пытались повторять его опыты, в том числе английский естествоиспытатель Роберт
Гук.
Микроскоп Левенгука. Копия.
*Хроматическая (от греч. «хро'матисмо'с» — «окраска») аберрация (от лат. aberratio —
«уклонение») выражается в том, что изображение размывается, а его края окрашиваются. Это
вызвано изменением коэффициента преломления стекла в зависимости от длины световой
волны.
85
Применение сложных микроскопов сдерживалось, прежде всего, хроматической и сферической
аберрациями. Они гораздо больше, чем в телескопе, искажали изображение наблюдаемого
объекта. Дополнительная техническая сложность возникала в связи с необходимостью точного
наведения на резкость. Объект нужно было максимально приближать к объективу, и малейшее
его смещение делало изображение нерезким. Эту проблему решил итальянский инженер и
шлифовщик Джузеппе Кампани (1635—1717). Он впервые применил сочетание винта и
червячной передачи; этот принцип заложен в работу и современных микроскопов.
Тем не менее, по-настоящему широкое применение сложные микроскопы нашли только после
удовлетворительного решения проблемы аберрации британским хирургом Джозефом Листером
(1827—1912).
РТУТНЫЙ БАРОМЕТР
О том, что воду в водяном насосе не поднять выше определённой высоты, знали ещё со времён
поздней античности, хотя объяснения этому факту не существовало. Было также неясно, что
образуется над водой. Пустота? Но, согласно принципам аристотелевой физики, это
невозможно: «природа боится пустоты».
ЛЕЙДЕНСКАЯ БАНКА
«Хочу сообщить Вам о новом, но ужасном опыте, который не советую Вам ни в коем случае
повторять самому... Я проводил некоторые исследования по силе электричества. Для этой цели
я подвесил на двух голубых шёлковых шнурах железный ствол, получивший сообщаемое ему
электричество от стеклянного шара, который быстро вращали вокруг оси, прижимая к нему
руки и тем самым потирая его; с другого конца свисала латунная проволока, конец которой был
погружён в круглый стеклянный сосуд, частично заполненный водой, который Я держал в
правой руке, а другой рукой я попытался извлечь искры из электрического железного ствола;
вдруг моя правая рука была поражена с такой силой, что всё моё тело содрогнулось, как от
удара молнии! Сосуд, даже если он сделан из тонкого стекла, обычно не разбивается, а рука
нисколько не смешается от такого сотрясения; но на руку и на всё тело это оказывает такое
ужасное воздействие, что я даже не могу это выразить: одним словом, я думал, что мне конец».
Так писал нидерландский физик Питер ван Мушенбрук (1692—1761) из города Лейдена
французскому учёному Рене Антуану де Реомюру (1683—1757) об опыте, который он провёл в
начале 1745 г. Явление электрического удара ранее было неизвестно, и потому эксперимент
Мушенбрука произвёл огромное впечатление на его современников.
Что же произошло на самом деле? Стенка шара из тонкого прозрачного стекла — диэлектрик.
Ладонь экспериментатора, касавшаяся сосуда, и вода — обкладки. Металлический проводник,
опушенный в сосуд и погружённый в воду, послужил выводом внутренней (водяной) обкладки.
Таким образом, всё устройство в целом представляло собой самый первый в истории техники
электрический конденсатор, названный лейденской банкой.
Опытами с электричеством, которое добывают посредством электризации тел, увлекались тогда
многие естествоиспытатели — и учёные, и любители. Поэтому к открывателям электрического
конденсатора наряду с Мушенбруком иногда причисляют и других изобретателей. Спустя всего
год после первого эксперимента лейденский сосуд, уже с обкладками из фольги, стал
стандартным лабораторным прибором, широко использовавшимся для изучения электричества.
Опыт с лейденской банкой.
* Сферическая аберрация проявляется в том, что изображение точки расплывается и выглядит
как кружок с размытыми краями.
86
Воздух? Непонятно, откуда ему там взяться. В XVII в. к учению Аристотеля стали относиться
критически. Ещё в 90-х гг. XVI в. Галилей в своём раннем сочинении по механике «О
движении» оспорил утверждение Аристотеля, что пустота невозможна. Она возможна,
утверждал Галилей, но стремится исчезнуть и потому обладает определённой силой, — силой
пустоты, которая и удерживает столб жидкости в насосе. В 1630 г. генуэзский чиновник и
естествоиспытатель-любитель Джамбаттиста Бальяни предложил другое объяснение. Да,
утверждал он, над водой образуется вакуум, но жидкость в насосе удерживается не им, а силой
атмосферного давления.
Таким образом, имелось, по меньшей мере, три различные точки зрения на то, что же
происходит в водяном насосе над поверхностью воды. Последователи Аристотеля (в основном
учёные-иезуиты) отрицали существование вакуума. Кто-то из естествоиспытателей
поддерживал точку зрения Галилея, на которой он продолжал настаивать; кто-то разделял
теорию Бальяни. По традиции спор разрешили экспериментом. Провели его в Риме, вероятнее
всего, в 1641 г., когда Галилей был ещё жив, под покровительством Бенедетто Кастелли —
одного из самых влиятельных учёных того времени, ученика Галилея. В эксперименте
участвовал ещё один ученик Галилея — Винченцо Вивиани. Обо всём происходившем
подробно рассказал в 1644 г. Эванджелиста Торричелли (1608— 1647) — бывший, очевидно,
автором постановки опыта — в письме к Микеланджело Риччи.
Опыт заключался в том, что заполненную ртутью и запаянную с одного конца трубку опускали
в сосуд с ртутью. Подобно воде, ртуть частично выливалась в сосуд, и так же, как в водяном
насосе, над её поверхностью возникала пустота. При этом было отмечено, что отношение
высоты, на которую поднимается в трубке ртуть, к высоте, на которую поднимается вода, равно
отношению плотности воды к плотности ртути и не зависит ни от формы трубки, ни от объёма
пустого пространства над поверхностью ртути.
С целью доказать, что над поверхностью ртути действительно образуется пустота,
экспериментаторы поместили туда небольшой колокольчик (который приводили в действие
магнитом) — его звон был еле слышен.
Нельзя сказать, чтобы результаты опыта убедили всех. Но эксперимент повторяли
неоднократно на протяжении всего XVII столетия, и мало-помалу представления о
возможности пустоты и об атмосферном давлении овладели умами и стали общепризнанными.
«Мы погружены на дно безбрежного моря воздушной стихии, — писал Торричелли, —
которая, как известно из неоспоримых опытов, имеет вес».
Об эксперименте узнал знаменитый французский математик, философ и естествоиспытатель,
тогда ещё
87
Блез Паскаль. Гравюра работы Г Эделинка. 1777 г.
двадцатилетний юноша, Блез Паскаль (1623—1662), разделявший теорию «боязни пустоты».
Он начал с опытов с различными жидкостями, думая, что результаты, полученные Торричелли,
могут быть связаны с особыми свойствами ртути. Однако постепенно молодой учёный пришёл
к выводу, что объяснение Торричелли верно. Но в таком случае, решил он, высота подъёма
ртути в трубке должна уменьшаться при подъёме на высокую гору по той же причине, по
которой давление под водой увеличивается по мере погружения. Соответствующий опыт
провёл Флорей Перье, родственник Паскаля, 19 декабря 1648 г. на горе Пюи-де-Дом. Разница в
уровнях на вершине горы и у её подножия превзошла все ожидания — она оказалась равна 84
мм. Окрылённый успехом, Паскаль сам повторил эксперимент в Париже—в знаменитом соборе
Нотр-Дам, а затем на башне Сен-Жак и на длинной лестнице одного частного дома. Значение
полученных результатов (Паскаль опубликовал их практически немедленно в том же, 1648 г.)
трудно переоценить: правильность теории атмосферного давления решительно подтвердилась.
Появилась новая единица измерения — миллиметр ртутного столба, — которой пользуются и
по сей день (в международной системе единиц СИ единица давления названа «паскаль» — Па
— в честь знаменитого француза). Получили первую оценку массы земной атмосферы. Ну и,
наконец, был предложен прибор, с помощью которого атмосферное давление можно измерять,
— ртутный барометр (наблюдательный Паскаль сразу заметил, что тот же прибор пригоден и
для определения высоты).
Благодаря впечатляющим успехам наука к концу XVII столетия приобрела огромный авторитет
в обществе. Новейшие открытия и изобретения стали интенсивно внедряться в хозяйственную
жизнь, в создание новых образцов техники. В результате начались глубокие преобразования в
промышленности, сельском хозяйстве, на транспорте, коренным образом изменившие
экономический уклад общества. Историки назвали этот процесс промышленной революцией.
ПРОМЫШЛЕННЫЙ ПЕРЕВОРОТ
Промышленным переворотом, или промышленной революцией, называют сравнительно
небольшой исторический период, когда человечество рассталось с мануфактурой и освоило
машинное производство. Случилось это после того, как английские изобретатели Джон Кей,
Джеймс Уатт, Генри Модели, а также их современники в Великобритании и других странах
создали машины и технологические процессы, полностью изменившие промышленные
предприятия. Их продукция стала не только более совершенной, но и массовой, а значит,
дешёвой и доступной для большинства людей.
«ЗОЛОТОЙ ТРЕУГОЛЬНИК»
В 1562 г. от причалов доброй старой Англии отошёл парусный корабль, направлявшийся с
грузом тканей, изделий из металла и стекла к побережью Африки. Обычный торговый рейс?
Нет, то была первая английская экспедиция за рабами. Путь парусника — сначала к Африке,
затем через Атлантический океан к Америке, а там, уже без захода в Африку, обратно к родным
берегам — на протяжении 250 лет повторили тысячи судов. Проложим на карте маршрут.
Получим треугольник. Первая его вер-
88
шина — пункт отправления корабля. Вторая — остановка у африканского побережья. Здесь
груз — ткани, бусы и мушкеты — обменивался на живой товар: один мушкет — один негр-
невольник. Закованных в цепи людей загоняли в опустевшие трюмы, и штурман, благословясь,
прокладывал курс туда, где прибытия судна уже с нетерпением ждали американские
плантаторы.
На невольничьих рынках рабов сбывали легко: спрос всегда превышал предложение, рабочей
силы на плантациях не хватало. На корабль грузили бочки с крепчайшим ромом, а главное —
кипы хлопка, долгожданное сырьё для текстильных фабрик в английских городах. Капитан
командовал: «Отдать швартовы! — и судно вновь бороздило океан, но теперь шло к родному
порту. Там и замыкался зловещий треугольник. Путь домой был особенно приятен: не торопясь
подсчитывали прибыль, думали, как расширить дело, каких компаньонов пригласить...
Недаром маршрут назвали «золотым треугольником». Прибыль работорговцев достигала 300
%. К середине XVIII в. в Англии уже не оставалось купца или города, так или иначе, не
вовлечённого в колониальную торговлю. В 1788 г. в Африку из Манчестера вывезли товаров на
200 тыс. фунтов стерлингов, а из Бирмингема—до 100—150 тыс. ружей. Через портовый
Ливерпуль в 1795 г. проходило 5/8 английской и 3/7 всей европейской торговли рабами.
Этот страшный и постыдный многовековой период истории имел важное значение для начала
индустриализации — быстрого развития крупного машинного производства. Не случайно
первые изобретения, давшие толчок технической революции, сделаны именно в текстильном
производстве Англии. К концу XVIII столетия выпуск тканей из дешёвого хлопка,
привозившегося с Американского континента, стал массовым. Тогда же наступил небывалый
расцвет горнорудной, металлургической и металлообрабатывающей промышленности.
ЧЕЛНОК-САМОЛЕТ И ПРЯЛКА «ДЖЕННИ»
В череде событий, послуживших причиной промышленного переворота, особое место занимает
изобретение Джона Кея (1704—1764). В 1733 г. он придумал конструкцию механического
(самолётного) челнока для ткацкого станка. Челнок освободил ткача от некоторых ручных
операций и повысил производительность его труда в два раза. Но изобретатель встретил
сильное противодействие со стороны ткачей, не желавших платить за использование
нововведения. В итоге Кей истратил на судебные тяжбы больше денег, чем получил за своё
изобретение. Ему даже пришлось уехать во Францию, но и там дела не сложились. В 1753 г.,
когда Кей хотел вернуться на родину, разъярённая толпа разгромила его дом в Англии.
Кроме челнока Кей изобрёл чесальную машину и ещё несколько интересных технических
устройств, совершенствовавших технологию ткацкого производства. Он же придумал ветряной
двигатель, откачивавший воду из затопленных шахт, а также печь для высушивания солода.
Все свои замечательные механизмы Кей разработал, живя в крайней бедности, а умер почти в
нищете, во Франции. Могила его неизвестна... Спустя 100 лет после появления великого
изобретения жители Бери, родного города Джона Кея, поставили ему памятник
Применение ткацких станков с челноком-самолётом привело к значительному увеличению
выпуска шерстяных и льняных тканей. Но это, в свою очередь, вызвало повышенный спрос на
пряжу, которая в то время вырабатывалась вручную. Для того чтобы устранить разрыв между
спросом и предложением, нужны были простые и дешёвые прядильные машины, способные
«прясть без руки человека». В 1765 г. Джеймс Харгривс (?—1778) изобрёл такую машину и
назвал её «Дженни» — в честь дочери.
В 1767 г. более совершенную механическую прядильную машину
Джон Кей.
*Плантатор — владелец плантации, т. е. большого участка земли, засеянного какой-либо
сельскохозяйственной культурой, например сахарным тростником, хлопчатником и т. д.
**Шварто'в (голл. zwaartouw) — трос, с помощью которого подтягивают и крепят судно к
причалу или другому судну.
89
«Дженни» — прядильная машина Харгривса.
Дени Папен. Гравюра из издания 1869г.
Джеймс Уатт.
Гравюра из старинной книги.
придумал английский механик Т. Хайе. Но ловкий делец Р. Аркрайт присвоил изобретение и в
1769 г. получил на него патент. Он построил первые в Англии прядильные фабрики с водяными
двигателями. С этого времени изобретение стали называть ватермашиной (от голл. water —
«вода»). Технический переворот в хлопчатобумажной промышленности Англии завершила
«Мюль-Дженни» — созданная около 1799 г. Сэмюэлом Кромптоном (1753—1827) машина,
способная вырабатывать особо тонкую пряжу. Позже был изобретён и механический ткацкий
станок.
ВЕК ПАРА
Следующей вехой промышленной революции стал переход от использования мышечной силы
людей и животных, а также кинетической энергии воды и ветра к повсеместному внедрению
паровых машин. Водяные и ветряные мельницы уже не могли обеспечивать нужды быстро
растущей горнорудной и металлообрабатывающей промышленности. Пытались сооружать
огромные водяные колёса, но и это не спасало положения. Да и обязательная «привязка»
мануфактур к водяным мельницам на реках была крайне неудобной.
Для дальнейшего развития промышленности требовался надёжный и дешёвый источник
энергии. Им стал универсальный паровой двигатель, изобретённый и построенный Джеймсом
Уаттом (1736—1819).
О движущей силе пара люди знали с глубокой древности. Одним из первых попытался
воспользоваться этой силой французский физик Дени Папен (1647—1714). Он пришёл к идее
пароатмосферного двигателя, представлявшего собой цилиндр с поршнем, который мог
подниматься под давлением пара и опускаться при его конденсации. Однако учёный так и не
смог создать работоспособное устройство.
В 1696 г. английский инженер Томас Се'вери (1650—1715) изобрёл паровой насос для подъёма
воды. В 1707 г. насос Севери был установлен в Летнем саду в Петербурге. Английский механик
Томас Ньюкомен (1663— 1729) создал в 1705 г. паровую машину для откачки воды из шахт. В
1712 г., использовав идеи Папена и Севери, Ньюкомен построил машину, которая применялась
на шахтах Англии до середины XVIII в.
Но уже к 1765 г. Дж. Уатт сконструировал, а позже усовершенствовал паровой двигатель
принципиально нового типа. Его машина могла не только откачивать воду, но и приводить в
движение станки, корабли и экипажи. К 1784 г. создание универсального парового двигателя
было фактически завершено, и он стал
Универсальный паровой двигатель Уатта.
90
ИЗОБРЕТЕНИЕ ВАКУУМНОГО НАСОСА
Перекачивать воду с помощью специального устройства — насоса люди научились ещё в
глубокой древности. А в XVII в. нашёлся человек, которому пришло в голову откачивать не
воду, а воздух. Бургомистру немецкого города Магдебурга — Отто фон Герике (1602—1686),
человеку образованному, было интересно что произойдёт, если из закрытого сосуда удалить
весь воздух, создать в нём пустоту, вакуум (лат. vacuum). Конечно, для опыта ему пришлось
усовершенствовать обычный поршневой насос: в корпусе, между цилиндром и поршнем, не
должно оставаться щелей, через которые воздух мог бы вернуться обратно. Так Герике стал
изобретателем вакуумного насоса (1650 г.).
Изобретение оказало в дальнейшем неоценимую помощь при изучении свойств разрежённого
воздуха. Эти эксперименты способствовали развитию науки о газах, исследованию
электрического разряда, формированию представлений об атомах. Один из наиболее известных
опытов — самого Герике — с магдебургскими полушариями.
Со второй половины XIX в. вакуумные насосы стали применять в технике. Они до сих пор
незаменимы в производстве электрических ламп накаливания: качество ламп зависит от того,
насколько тщательно из них откачан воздух.
В XX столетии главная область применения вакуумных насосов — электронное
приборостроение: производство усилительных и генераторных радиоламп, рентгеновских,
фотоэлектронных и электронно-лучевых трубок. Чтобы изготовить сложные электронные
приборы, понадобились насосы нового типа — высоковакуумные. Появление таких насосов
связано с именем немецкого учёного Вольфганга Геде (1878—1945). В 1912 г. Геде изобрёл
молекулярный, ав1913г. — диффузионный
Портрет автора и титульный лист из книги Отто фон Герике «Новые эксперименты в
Магдебурге о пустом пространстве». Амстердам, 1672 г.
насосы. В молекулярном — частицы газа удаляются в результате столкновения с вращающимся
металлическим ротором. Действие диффузионного насоса основано на использовании струи
паров масла или ртути: струя захватывает и уносит молекулы откачиваемого газа.
Опыт с магдебургскими полушариями. Гравюра из книги Отто фон Герике «Новые
эксперименты в Магдебурге о пустом пространстве». Амстердам, 1672 г.
91
I Схсйм гмрслимо КО TAJ
Палена. 1690 г.
Принцип работы паромом мамтмны Нномомгна. 1705 г.
Пар из котла (1) поступает н цилиндр 12) и плдним.мл
поршень (3/, который уравноиешипастся трутом И/. В результат
вспрыскивания а цилиндр холодной воды ил резервуара (51 пар
конденсируется. и поршень опускается. ()х,\.1ждаюшая тмлда и
сконарнс мрованмыи пар выпускаются ил цилиндра по трубе (Ы,
а излишний пар из котла — через предохранительный клапан О
основным средством получения энергии в промышленном производстве. В 1769—1770 гг.
французский изобретатель Никола Жозеф Кюньо (1725—1804) сконструировал паровую
повозку — предшественницу автомобиля. Она до сих пор хранится в Музее искусств и ремёсел
в Париже.
Американец Роберт Фултон (1765— 1815) провёл в 1807 г. построенный им колёсный пароход
«Клермонт» по реке Гудзон. 25 июля 1814 г. локомотив английского изобретателя Джорджа
Стефенсона (1781 — 1848) протащил по узкоколейке 30 т груза в 8 вагонах со скоростью 6,4
км/ч. В 1823 г. Стефенсон основал первый паровозостроительный завод. В 1825 г. начала
действовать первая железная дорога от Стоктона до Дарлингтона, а в 1830 г. —
железнодорожная линия общего пользования между промышленными центрами Ливерпулем и
Манчестером. Джеймс Несмит (1808—1890) создал в 1839 г. необычайно мощный паровой
молот, совершивший настоящий переворот в металлургическом производстве. Он же
разработал несколько новых металлообрабатывающих станков.
Так начался расцвет индустрии и железных дорог — сначала в Великобритании, а затем в
других странах мира.
Джеймс Уатт похоронен там, где покоятся прославленные сыны его
92
ТОКАРЬ ИМПЕРАТОРА
Русский механик и изобретатель Андрей Константинович Нартов (1693—1756) стал
знаменитым во время царствования Петра I. Учился Нартов в первом техническом учебном
заведении России — Школе математических и навигацких наук. Император, сам хорошо
разбиравшийся в технике и владевший токарным мастерством, оценил незаурядный
технический талант юноши и в 1712 г. назначил его своим личным токарем. В дворцовой
мастерской Нартов изобрёл и изготовил несколько оригинальных токарных (в том числе
винторезных и копировальных) станков. В недавно обнаруженной рукописи книги «Ясное
зрелище махин» мастер описал более 20 конструкций таких машин. После смерти Петра I
Нартов создавал свои механизмы, работая при Московском монетном дворе. В 1736 г. он
заведовал механической мастерской Петербургской академии наук, а позже стал первым
советником Академии. Под руководством Нартова изготовляли приборы для научных
исследований, проводившихся в её стенах, в частности оптические приборы и инструменты,
сконструированные великим русским учёным М. В. Ломоносовым. Многое сделал Нартов и для
развития военной техники. С 1738 по 1756 г. он создал станки для производства
артиллерийских орудий, оптический прицел, запальное устройство, предложил новые способы
отливки стволов пушек, изобрёл и построил скорострельную батарею из 44 небольших мортир.
Некоторые изобретения Нартова можно увидеть и сегодня. Они хранятся в Эрмитаже и
Артиллерийском музее в Петербурге.
Токарно-винторезный станок Нартова. 1738 г.
отечества, — в Вестминстерском аббатстве. На его памятнике начертано:
Не для того, чтобы увековечить
имя, которое будет жить, пока
процветают мирные искусства,
но чтобы показать, что
человечество воздаёт почести
тем, кому оно обязано
благодарностью, король, его
слуги, а также многочисленные
дворяне и граждане королевства
воздвигли этот памятник
Джеймсу Уатту. Его гению
удалось путём опыта
усовершенствовать паровую
машину. Благодаря этому он
умножил богатства своего
отечества, увеличил мощь
людей и поднялся до высоких
ступеней среди великих
деятелей науки, этих истинных
благодетелей человечества.
РЕВОЛЮЦИЯ МЕХАНИКА МОДСЛИ
Генри Модели (1771 — 1831) всегда считал себя добропорядочным верноподданным Его
Величества Короля и никогда не имел ничего общего с бунтовщиками. Больше всего на свете
Модели гордился тем, что стал мастером задолго до окончания установленного ещё в Средние
века обязательного семилетнего срока ученичества. Наверное, он очень удивился бы, узнав, что
его имя войдёт в историю революции, пусть даже и технической.
Мастера-механики, признавшие молодого Модели равным себе, не ошиблись.
Два его знаменитых изобретения помогли перейти от ремесленного,
93
РУССКИЙ МЕХАНИК И ИНЖЕНЕР ИВАН КУЛИБИН
Иван Петрович Кулибин (1735— 1818) не окончил школы: он обучался грамоте у дьячка.
Овладеть слесарным и токарным мастерством, а затем и искусством изготовлять «хитрые»
часовые механизмы ему помогли книги по физике и технике. В 1764—1767 гг. Кулибин
придумал очень сложное автоматическое устройство — часы в форме яйца. Императрица
Екатерина II, которой он преподнёс своё изобретение в 1769 г., назначила талантливого
самоучку заведующим механической мастерской Петербургской академии наук.
Иван Кулибин создал много оригинальных механизмов и машин. Интересы его были
чрезвычайно широки — от часов до самодвижущихся судов. Мастер сконструировал
карманные часы, которые показывали не только время суток, но и месяц, день, неделю, время
года, фазы Луны, время восхода и захода Солнца. Предложенные изобретателем способы
шлифовки стёкол стали применять при изготовлении микроскопов, телескопов и других
оптических приборов.
В 1776 г. Кулибин построил поразившую современников модель (в масштабе 1:10) деревянного
одноарочного моста через Неву. Специальная комиссия подтвердила правильность расчётов.
Одарённый инженер, Кулибин разработал ещё три проекта металлических мостов, проект
сверлильного станка с приводом от паровой машины.
«Зеркальный фонарь» (прототип прожектора) тоже изобретение Кулибина. Фонарь
использовался для освещения мастерских и в маяках. Мастер создал также повозку-самокатку,
в которой применил маховое колесо, педальный механизм, коробку скоростей, подшипники
качения и тормоз.
С 1782 г. инженер трудился над проектом «водохода» — судна с оригинальным двигателем из
водяных колёс и каната с якорем. Якорь забрасывали вверх по течению, и судно передвигалось
за счёт течения речной воды. В 1791 г. Кулибин разработал конструкцию «механической ноги»
(протеза); позже (после войны 1812 г. ) её применили при изготовлении протезов для раненых
офицеров. А в 1794 г. изобретатель предложил оригинальную систему оптического телеграфа.
В 1801 г. Кулибин переехал на родину, в Нижний Новгород. Здесь он создал ряд новых
механизмов, в том числе станок для расточки цилиндров паровой машины и устройство для
добычи соли.
Иван Петрович Кулибин. Литография.
Чертежи из рукописей И. П Кулибина.
1. Трёхколёсная самокатка. 2. Подъёмные кресла.
В конце жизни выдающийся изобретатель испытывал нужду. А когда Кулибин умер, вдове,
чтобы его похоронить, пришлось продать стенные часы да ещё занять денег.
94
в основном ручного, труда к изготовлению машин машинами. Первое из них, так называемый
механический суппорт, — устройство для очень жёсткого и в то же время подвижного
крепления резца, которым обрабатывают металлические заготовки на станке. Создав суппорт,
Модели совершил переворот в токарном мастерстве. До этого резец, острая кромка которого
снимает слой материала с быстро вращающейся заготовки, токарь держал в руках, опираясь на
специальные подставки, или упоры. При такой технологии добиться высокой точности
обработки просто невозможно. Особенно трудно изготовить детали строго правильной круглой
формы.
Джеймс Уатт долго не мог улучшить свой универсальный паровой двигатель: не было станка,
чтобы с необходимой точностью изготовить главные детали — цилиндр и поршень.
Сохранилось письмо великого изобретателя, в котором он с восторгом сообщал другу:
«Наконец-то удалось подогнать поршень и цилиндр друг к другу так, что в зазор между ними
еле-еле проходит шестипенсовая монета!». Подобная точность в наши дни, когда детали
обрабатываются в заводских цехах с точностью до тысячных долей миллиметра, вызывает
улыбку. Но в те времена она считалась большим достижением. Очень трудно было изготовить
на старых станках болты и гайки к ним. Попробуйте-ка, держа резец в руках, нарезать на
металлическом стержне точную винтовую резьбу!
Генри Модели решил эту проблему. Токарь получил возможность, вращая рукоятки суппорта,
перемещать резец по вертикали и по горизонтали с недостижимой ранее точностью, по мере
надобности подавать его вперёд и отводить назад практически на любое, даже очень маленькое,
расстояние. Впервые в истории обработки материалов механическое устройство заменило руку
человека.
Второе великое изобретение механик сделал, выполняя заказ сэра Сэмюэла Бентама — генерал-
инспектора заводов Британского королевского военно-морского флота.
Это были годы, когда Англия стала «владычицей морей». Парусные военные корабли и
торговые суда под флагом Великобритании появлялись в самых отдалённых уголках морей и
океанов. А на карабельных верфях закладывали всё новые и новые барки и бриги, шхуны и
фрегаты. Но плавающим и вновь строящимся кораблям необходимы мачты, паруса, такелаж.
И блоки для канатов — тысячи, десятки тысяч блоков, без которых нельзя поднимать и
опускать паруса, управлять ими. Нужно было придумать способ, как изготовлять блоки быстро,
выпускать их крупными партиями и высокого качества. То, что сделал Модели, до сих пор
вызывает восхищение.
А сделал он первую в истории станочную линию для производства корабельных блоков. В 1807
г. заработали 43 дерево- и металлообрабатывающих станка, выстроенные в одну
технологическую цепочку. Рабочий на каждом станке выполнял только одну простую
операцию, а значит, не терял времени на переналадку оборудования. Получилась целая система
машин, поочерёдно делавших всё, что нужно, — от распиливания стволов деревьев особо
твёрдых пород, например железного дерева, до обтачивания бронзовых подшипников и
нарезания резьбы на соединительных болтах. Готовьте блоки выходили из цеха потоком,
поэтому новый способ производства большого количества однотипной продукции назвали
поточным.
Сэр Бентам остался доволен: проблема была решена. Но и он не предполагал, что станки
Модели войдут в историю техники как самые первые машины, изготовленные с помощью
других машин, стоявших в мастерской изобретателя. Машины, сделанные машинами!
Система блочных машин Модели пережила своего создателя. Мастер умер в 1831 г., а его
станочная линия работала без переделки до начала XX в. Бесспорно, факт удивительный. Но
важнее то, что именно тогда, в начале XIX в., возникло машиностроение — новая отрасль
промышленности, быстро ставшая главной.
Генри Модели.
*Такелаж (голл. takelage) — совокупность судовых снастей (тросы, цепи и т. д. ) для управления
парусами и для грузоподъёмных работ.
95
ОТ ПАРУСА К ПАРОВОЙ МАШИНЕ
Применение железа для изготовления корпуса судов позволило увеличить длину парусников. К
1850 г. соотношение их длины и ширины достигло 6:1, что существенно повысило скорость
хода. Типичными транспортными судами того времени стали клипера, имевшие три-четыре
мачты. Клипера совершали скоростные двухмесячные рейсы из Европы в Китай и Австралию.
В последней четверти XIX в. на смену клиперам пришли так называемые винджаммеры
(«выжиматели ветра») — стальные парусники грузоподъёмностью 4—5 тыс. тонн с
уменьшенной численностью экипажа. Количество мачт на них достигало 5, а на американских
шхунах — би даже 7.
После создания американским изобретателем Робертом Фултоном первого колёсного парового
судна «Клермонт» (1807 г.) паруса очень скоро вытеснила паровая машина. При всех своих
недостатках пароходы обладали важным достоинством: скорость их движения не зависела от
направления и силы ветра.
Первым пароходом, пересекшим Атлантический океан почти за 18 сут. без использования
парусов, был английский «Сириус» с 98 пассажирами на борту. Произошло это в 1838 г. В 1840
г. английский пароход «Британия» шёл от Лондона до Нью-Йорка 14 сут. 8 ч со средней
скоростью 8,5 узла (около 16 км/ч). В 1952 г. американский лайнер «Юнайтед Стейтс» покрыл
то же расстояние за 82 ч 40 мин, развив скорость свыше 36 узлов (около 67 км/ч).
Медленно, но верно пароходы вытесняли парусники. Если в 1851 г. из 9,7 млн. тонн грузов,
перевезённых торговым флотом, на долю пароходов приходилось лишь 329,5 тыс. тонн (около
3,4 %), то в 1881 г. из 17,9 млн. тонн — уже более 5 млн. тонн (почти 30 %). По объёму
грузоперевозок парусники уступили первенство пароходам в начале 90-х гг. XIX в.
Галион «Арк Ройял». 1587г. Англия.
Флагманское судно британского флота, выступившего против испанской Непобедимой армады.
Водоизмещение — около 880 т; длина — 36,8 м (без бушприта); ширина — 8,75 м; осадка —
4,85 м; вооружение — 30 пушек; экипаж — 190 человек.
Клипер «Катти Сарк». 1869 г. Англия.
Один из самых известных торговых парусников в мире. Сохранился до наших дней как
корабль-музей в Гринвиче (Лондон).
Валовая вместимость — 921 регистровая тонна; длина — 64,8 м (без бушприта); ширина —
10,9 м; осадка — 6,4 м; наибольшая площадь парусов — 3350 м2; скорость — до 17,5 узла
(около 32 км/ч).
Четырёхмачтовый барк «Падуя». 1926 г. Германия.
Последний грузовой парусник и последний винджаммер. После Второй мировой войны
«Падуя» была передана СССР, переименована в «Крузенштерн» и переоборудована в учебное
судно. Парусник-ветеран в 1995—1996 гг. совершил кругосветное плавание, посвящённое 300-
летию Военно-морского флота России. Валовая вместимость — 3064 регистровые тонны; длина
— 95,2 м (без бушприта); ширина — 14,51 м; осадка — 7,26 м; площадь парусов — 3800 м2;
скорость — до 15 узлов (около 28 км/ч).
Пассажирский пароход «Сириус». 1837 г. Англия.
Первый пароход, пересекший Атлантический океан без помощи парусов. Валовая вместимость
— 703 регистровые тонны; длина — 63,5 м; ширина — 14,3 м; осадка — 4,6 м.
Пассажирский пароход «Грейт Истери». 1860 г. Англия.
«Грейт Истерн» был в пять раз больше самого крупного судна своего времени и мог брать на
борт до 4 тыс. пассажиров. Запас угля (15 тыс. тонн) позволял совершать кругосветное
плавание без заходов в порты. Эксплуатация судна на трансатлантической линии оказалась
невыгодной, и «Грейт Истерн» стали использовать в качестве кабелеукладчика. Валовая
вместимость — 18 915 регистровых тонн; длина — 210,4 м; ширина — 25,2 м; осадка — 9,1 м;
скорость — 13 узлов (около 24 км/ч).
ЧТО ТАКОЕ ИНДУСТРИАЛИЗАЦИЯ
Промышленный переворот привёл к замене мануфактурного и ремесленного производства
крупной машинной промышленностью. Повсюду создавались огромные заводы и фабрики. От
рудников и каменноугольных шахт к ним проводили железнодорожные линии и шоссейные
дороги. Для перевозки грузов по морям и океанам строились пароходы, порты и гавани. Ручной
труд вытеснялся в самых различных областях техники. В разгар бурного развития машинной
промышленности возникла электротехника: появились электрический мотор и генератор
электричества, электромагнитный телеграф, а затем телефон и радио. С изобретением
двигателей внутреннего сгорания стало возможно создание автомобильного транспорта и
авиации.
Не осталась в стороне и военная техника. В этот период стремительно выросли затраты
государств на вооружение. Появились более совершенные артиллерийские орудия,
автоматическое стрелковое оружие, бронеавтомобили, танки. На море на смену парусным
фрегатам и линкорам пришли гигантские паровые броненосные корабли — броненосцы
(дредноуты) и линкоры. Были созданы вооружённые торпедами миноносцы и подводные
лодки. К началу XX в. военная техника стала важным средством достижения господства одной
страны над другой, а мощные вооружённые силы использовались для устрашения и завоевания
чужих территорий.
Правда, предприятия военной промышленности могут выпускать не только оружие. Например,
знаменитый в своё время советский первый в мире реактивный пассажирский самолёт Ту-104
был создан конструкторским бюро А. Н. Туполева как бомбардировщик, и лишь потом его
переделали в пассажирский лайнер. Первые мощные вычислительные машины тоже сначала
применялись только для решения военных задач. Достижения военной промышленности
сегодня используются и в других мирных областях.
Так или иначе, промышленная революция привела к появлению нового, по сути дела
технического, мира, к массовому производству наукоёмкой техники, разнообразных дешёвых и
высококачественных товаров. Произошедшие перемены в жизни общества принято называть
индустриализацией, а наступившую эпоху — индустриальной.
1. Машинный зал машиностроительного завода Хартмана и Земнина в Саксонии. Гравюра
из издания 1870 г.
2. Санитарный поезд императрицы Александры Фёдоровны. Фотография. Начало XX в.
3. Панорама сталелитейных заводов Круппа. Цветная литография из издания начала XX в.
4. Американский изобретатель X. Максим с созданным им пулемётом. Фотография. 1883
г.
5. Наводка артиллерийского орудия. Фотография. 1915 г.
6. Английский танк (захваченный Красной Армией) на Красной площади в Москве.
Фотография времён Гражданской войны.
7. Мортира (калибр 30,5 мм). Фотография. 1915 г.
8. Эскадренный броненосец «Ослябя» (водоизмещение 12 674 т). Открытка. Начало XX в.
9. Первая российская подводная лодка. Открытка. 1904 г.
10. Бронепалубный пятитрубный крейсер «Аскольд». Раскрашенная фотография. Начало
XX в.
КТО ИЗОБРЁЛ КОНВЕЙЕР?
Великие изобретения и открытия никогда не принадлежат одному человеку, даже если их автор
хорошо известен. Они всегда — конечный результат усилий многих талантливых людей, и
немало их остаётся безвестными. История же называет автором изобретения того, кому
посчастливилось первым завершить общую работу. Так обстоит дело с механическим
суппортом и организацией станочной линии, идеи которых приходили в голову не одному
Генри Модели. Так получилось и с идеей конвейера, очень важной для истории
индустриализации и современного массового производства техники. Обычно это достижение
технологии и организации труда связывают с именем американского промышленника Генри
Форда (1863— 1947). И вполне заслуженно: Форд первым организовал конвейерное
производство столь сложной машины, как автомобиль. Но историки знают: главный секрет
технологии массового производства — полное сходство
«ТИТАНИК»
В апреле 1912 г. весь мир облетело сообщение о гибели «непотопляемого»
трансатлантического лайнера «Титаник» (построен в 1911 г.). В начале XX в. этим судном
гордились как высшим достижением новой индустриальной эпохи. Самый большой в мире
пассажирский корабль затонул после столкновения с айсбергом примерно в 800 км к юго-
востоку от острова Ньюфаундленд, в северной части Атлантического океана. Погибло около
1500 человек. Только 711 пассажиров и членов экипажа успели разместиться на 18 шлюпках и
были спасены.
«Титаник» вышел из британского порта Саутхемптон 10 апреля и взял курс на Нью-Йорк.
Несмотря на опасность столкновения с плавающими ледяными глыбами, пароход развил
максимальную скорость. Капитан Эдвард Дж. Смит не сомневался, что корпус, где было
установлено 16 водонепроницаемых переборок, клёпанный из листов стали толщиной 25 мм,
выдержит любые повреждения. 14 апреля в 23 часа 40 минут, в ясную, безлунную ночь,
вперёдсмотрящий доложил об айсберге по правому борту. В это время лайнер шёл со
скоростью 21,5 узла (около 40 км/ч). Когда старший офицер Уильям М. Мердок приказал
отвернуть влево и дал машинам «полный назад», было уже поздно. До айсберга оставалось
всего 750 м, инерция же была слишком велика, и «Титаник» прошёл вдоль ледяной горы 90 м.
Листы обшивки не выдержали удара и разошлись — скрепляющие их заклёпки лопнули; за 20
мин судно приняло 7500 т воды в 6 носовых отсеков. Не помогли и переборки — вода
перетекала над ними в другие отсеки. 15 апреля в 2 часа 20 минут огромный корабль затонул.
Судно легло на дно на глубине 4000 м, разломившись на три части. Нос погрузился в ил на 15
м. В 1985—1991 гг. обломки «Титаника» исследовали несколько экспедиций. В одной из них,
на подводном аппарате «Мир», приняли участие российские учёные. С четырёхкилометровой
глубины удалось поднять на поверхность части обшивки, разнообразные предметы — в
частности, посуду и даже драгоценности, которые позже экспонировались на Парижской
выставке.
Трансатлантический лайнер «Титаник».
Водоизмещение — 46 328 т; длина — около 269 м; ширина — 28,2 м; скорость — до 25 узлов
(46,3 км/ч).
*Слово «конвейер» образовано от английского convey — «перевозить».
100
всех однотипных образцов выпускаемой продукции, их взаимозаменяемость. Понял это и
первым применил в массовом производстве американский предприниматель Эли Уитни (1765-
1825).
...В конце XVIII в. армия США готовилась к войне, которая могла вспыхнуть в самое
ближайшее время. Возникла острая нужда в стрелковом оружии. Государственный заказ на
изготовление большой партии мушкетов сулил огромные барыши. Но никто из заводчиков не
брался за его исполнение, потому что днём с огнём нельзя было найти достаточное количество
квалифицированных мастеров. Мушкеты в те годы делались штучно: один мастер выполнял с
начала до конца все операции — сам изготовлял все детали, а затем собирал из них оружие. И
хотя он старался, чтобы ружья получались одинаковыми, они, конечно, оказывались чуть-чуть
разными. Ни спусковой механизм, ни ствол одного мушкета не подходили к другому. Каждая
деталь подгонялась по месту. Казалось, иначе и быть не может.
И всё же нашёлся человек, рискнувший взяться за дело. Он нанял рабочих, умевших выполнять
отдельные простые операции. Например, вытачивать оси для спускового механизма. Или
делать ложе. Или ещё какую-нибудь деталь. Но как собрать ружьё из деталей, вышедших из
рук разных рабочих? Как добиться, чтобы детали перестали быть штучными (пригодными
только для одного ружья) и подходили без подгонки? Эли Уитни — так звали этого человека —
решил задачу. Он изготовил шаблоны — образцы, в точном соответствии с которыми рабочий
делал порученную ему деталь. Теперь все детали одного назначения, изготовленные разными
людьми, стали похожи друг на друга как две капли воды. Теперь за смену выпускали гораздо
больше мушкетов, чем если бы каждый рабочий делал целиком всё ружьё. Последний в
технологической цепочке рабочий-сборщик ставил детали в мушкет — просто брал их из
ящиков.
В 1801 г. Уитни успешно применил новую организацию производства при изготовлении
крупной партии мушкетов. Он не придумал новое ружьё, не сконструировал новое техническое
устройство. Его «секрет» — новый технологический процесс, открывший дорогу массовому
производству сложной техники. Уитни принадлежат и другие изобретения, но именно это
прославило его имя.
Идеей Уитни воспользовался Генри Форд, когда решил поставить на поток производство
дешёвого «народного автомобиля». Кроме того, он соединил рабочие места движущейся лентой
— конвейером. На первых шагах сборочный конвейер нёс на себе только шасси — основу
будущего автомобиля. По мере передвижения шасси «обрастало» всё новыми деталями,
которые устанавливали рабочие: кто — коробку скоростей, кто — двигатель, кто — колёса или
фары. В конце пути на конвейере стоял уже полностью готовый автомобиль. По такому
принципу и сегодня работают конвейеры на всех предприятиях мира.
После появления конвейера стал возможен массовый выпуск самой сложной техники. И все её
экземпляры были идентичны. Затраты труда на производство каждого отдельного экземпляра
снизились. Но в конвейерном производстве есть и свои проблемы. Монотонный ритм,
бесконечное повторение одних и тех же движений выматывают рабочего. Человек начинает
чувствовать себя придатком машины, живым роботом. Чтобы избежать утомительного
однообразия, рабочих время от времени переводят с одной операции на другую. На заводах
создают специальные комнаты психологической разгрузки. Но окончательно проблема не
решена и по сей день.
ЧТО ТАКОЕ СОВРЕМЕННАЯ ТЕХНИКА
КТО ОТКРЫЛ ДОРОГУ СОВРЕМЕННОЙ ТЕХНИКЕ
После изобретения универсального парового двигателя и первых механизмов, заменивших руку
человека, развитие техники пошло по пути создания новых, всё более разнообразных и мощных
машин.
Сначала изобретатели обходились без глубоких научных знаний, без экспериментов и сложных
математических расчётов. Им помогали опыт, техническая смекалка и природный ум. Так, Дж.
Уатт сконструировал свою паровую машину уже в 1765 г. Но только в 1824 г. французский
инженер и учёный Сади Карно (1796— 1832) издал знаменитую книгу под названием
«Размышления о движущей силе огня и о машинах, способных развивать эту силу». Через два
года после трагической гибели Карно его работу заметили французский физик и инженер Бенуа
Клапейрон (1799—1864) и другие учёные в Англии и Германии. Развивая идеи Карно, они
заложили основы новой науки о тепловых процессах — термодинамики.
Чем сложнее становились машины, тем труднее было их совершенствовать. К физике,
теоретической механике, высшей математике и другим фундаментальным наукам приходилось
обращаться во всех областях техники. В результате в XIX в. возникли и развиваются поныне
многочисленные технические науки. В отличие от естественных, изучающих явления природы,
технические науки исследуют процессы, происходящие в машинах и механизмах. Физические,
химические, математические и прочие теоретические знания применяют для решения
технических задач. Например, полученные физиками и химиками данные о строении
кристаллов используются для создания полупроводниковых приборов; на основе физической
теории строения твёрдого вещества разрабатываются методы инженерных расчётов прочности
деталей.
104
К концу XIX в. «здание» классической физики и научные представления о мире считались
практически «достроенными»; оставались, как думали некоторые, лишь отдельные неясности,
так сказать, «строительные недоделки». Многие выдающиеся физики полагали, что науке
известно всё основное, что можно узнать об энергии и строении вещества, о законах движения
твёрдых тел.
Однако уже во второй половине XIX в. учёные стали обнаруживать новые, неизвестные ранее
физические и химические явления, объяснить которые традиционная наука не могла. В 1895 г.
немецкий физик Вильгельм Рентген открыл излучение совершенно нового вида. На основе
своего открытия он разработал техническое устройство — рентгеновскую катодную трубку. В
1896 г. французский учёный Антуан Анри Беккерель (1852— 1908) обнаружил излучение солей
урана и доказал, что оно не рентгеновское. Продолжая исследования Беккереля, французские
физики, супруги Пьер Кюри (1859—1906) и Мария Склодовская-Кюри (1867—1934),
исследовали явление радиоактивности, а в 1898 г. — новые химические элементы: полоний и
радий.
Открытие рентгеновских лучей и радиоактивности привело к изучению строения атома. В 1911
г. английский учёный Эрнест Резерфорд (1871 — 1937) обосновал планетарную модель
строения атома, считавшегося до тех пор сплошным и неделимым. В 1913 г. датский физик
Нильс Бор (1885—1962), исходя из модели Резерфорда, заложил основы квантовой теории
строения атома. Все эти открытия венчала общая теория относительности, разработанная в
1907—1916 гг. Альбертом Эйнштейном (1879-1955).
Вслед за великими открытиями в физике и химии начинается качественно новый этап в
развитии технических наук, инженерных методов создания техники. В 20-х гг. значительно
обновляются физические представления о строении металлов и их сплавов. Появляется физика
диэлектриков. И вскоре разрабатываются новые способы получения сплавов, выпускаются
материалы с особыми диэлектрическими свойствами. В 30-х гг. развиваются физика и химия
полупроводниковых материалов, а в 50-х гг. начинает свой путь полупроводниковая техника,
без которой немыслим современный технический мир. Открытие Рентгена привело к
появлению и стремительному совершенствованию технической аппаратуры для спектрального
и рентгено-структурного анализа вещества. На базе новых физических теорий возникает
техника магнитной и ультразвуковой дефектоскопии.
Создание в 1925—1926 гг. квантовой механики, в 1934 г. протонно-нейтронной модели ядра
атома, теории бета-распада открыло дорогу к разработке научных основ и технических средств
получения внутриядерной энергии, к конструированию квантовых генераторов — лазеров, к
быстрому развитию квантовой электродинамики и магнитной гидродинамики, в свою очередь
давших сильнейший толчок возникновению разнообразных областей новейшей техники.
Таким образом, применение в технике научных знаний, полученных на рубеже XIX и XX вв.,
привело к созданию технических устройств и
Электрическая свеча Яблочкова. 1876 г. Политехнический музей. Москва.
Одна из первых ламп накаливания Лодыгина. 70-е гг. XIX в. Политехнический музей.
Москва.
105
ТОМАС ЭДИСОН
Будущий великий американский изобретатель Томас Алва Эдисон (1847—1931) посещал
школу в родном посёлке Милан в штате Огайо всего несколько месяцев. Учителей раздражало
его упрямство, и мать стала заниматься с сыном дома. Уже в 15 лет Томас стал зарабатывать
деньги, продавая газеты. Затем освоил престижную в то время специальность телеграфиста.
Способный юноша научился посылать и принимать телеграммы с рекордной скоростью, но
работать, ничего не изобретая, ему было неинтересно. И он сделал приспособление к
телеграфному аппарату, благодаря которому тот продолжал работать даже в то время, когда
Эдисон сладко спал в соседней комнате.
В 21 год Томас переехал в Бостон, где стал искать применение своим изобретательским
талантам. Очень скоро он приобрёл известность как электрик, в совершенстве знающий
телеграфные аппараты. Фирма «Голд энд сток телеграф» предложила Эдисону усовершенст-
Томас Эдисон. Фотооткрытка.
вовать систему биржевого телеграфа. При заключении договора молодой человек решил
просить за свою работу 5 тыс. долларов, но в последний момент у него не хватило духу назвать
такую, как ему казалось, баснословную сумму. «Вас устроили бы сорок тысяч?» — неожиданно
услышал он вопрос представителя фирмы.
На первый крупный гонорар 22-летний Эдисон нанял 50 помощников и организовал
производство биржевых телеграфных аппаратов в городе Нью-Арк. В 1876 г., после шести лет
работы, он перевёл мастерскую в небольшой городок Менло-Парк. Теперь у него работали уже
около ста человек, но все идеи принадлежали хозяину; лишь он принимал решения, какую
продукцию стоит изготавливать. Талантливый самоучка дал объявление о том, что принимает
«заказы на изобретения». И постепенно многие фирмы убедились: молодому учёному по плечу
самые сложные научно-технические задачи.
Фирма «Вестерн юнион» заключила с Эдисоном договор на право первой покупать его
патенты, и это обеспечило ей большую прибыль. Только от одного изобретения —
многоканального телеграфа — капиталы компании выросли на 15 млн. долларов.
«Изобретения по заказу» приносили значительные доходы и самому создателю. Но его
интересовал не столько банковский счёт, сколько само техническое творчество. «Единственное
моё стремление — работать, не думая о расходах, — говорил Эдисон, — то есть, если мне
хочется выяснить, почему одна нить накаливания работает лучше другой, я буду это
исследовать, не заботясь о том, сколько это стоит. Мысль о затратах раздражает меня. Мне не
нужны утехи богачей: лошади, яхты — на всё это у меня нет времени. Мне нужна мастерская».
Создание системы электрического освещения стало одним из главных
Лампа
накаливания
< винтовым
патроном
конструкции
Элисона.
1881 г.
достижений Эдисона. Трудиться над ней он начал в 1878 г., будучи ещё молодым, но уже
широко известным в Америке изобретателем. Эта работа длилась немногим более года, и в ней
особенно ярко проявились особенности таланта этого незаурядного человека. Предложения,
связанные с изготовлением электрической лампы накаливания, делались и ранее, в том числе
выдающимся русским электротехником Александром
Лаборатория Т. Эдисона в Вест-Орандж. Нью-Джерси. 1885 г.
106
Цилиндр UI, гмжрыгый п«|р.1финир имт юй бумагой. врлшек* рукояткой (2)
и rtcpeMcui'M'Tc я вдоль дмэфрлгмы < 31. Звуки выэымкп движение диафрагмы,
' та «ланит» на мглу (4), полому игла <хтанлжп на нпнгрхжхти цилиндра кажюки
рамши 1и мимеимею и от силы wyval f дубины. В канавках таким иПрамкт мнит ывалхя
звук, который можно воспроизвести шхрелством такой же* жлы.
Николаевичем Лодыгиным (1847— 1923 ). Эдисон внёс в конструкцию лампы много важных
усовершенствований. Он добился значительно лучшего удаления воздуха из лампы, благодаря
чему накалённая нить светилась, не перегорая в течение многих недель. Одновременно с
лампой в лаборатории инженера было разработано всё, что необходимо для системы
электрического освещения: генераторы, регуляторы, выключатели, предохранители, провода,
кабели и даже изоляционная лента. И вот 1 января 1880 г. на демонстрацию новой системы
освещения в Менло-Парк были приглашены 3 тыс. человек: государственные деятели, учёные,
журналисты, бизнесмены. Показ электрического освещения для домов и улиц прошёл очень
удачно. Учёный стал получать тысячи писем с заказами на осветительное оборудование.
Вскоре электрическое освещение по системе Эдисона получило распространение не только в
США, но и в других странах мира.
Изобретения Томаса Эдисона часто оказывались совершенно неожиданными не только для
широкой публики, но и для специалистов, например «говорящая машина» — фонограф (от
греч. «фоне1» — «звук» и «гра'фо» — «пишу»). До этого аппаратов для записи и
воспроизведения человеческого голоса и музыки не существовало. Механики, по рисункам
изготовившие коробку с вращающимся валиком, были поражены, когда это устройство
повторило вслед за Эдисоном фразу «У Мэри был барашек».
Фонограф имел большой успех на Всемирной выставке в Париже в 1889 г. Даже знаменитый
композитор Шарль Гуно одобрительно отозвался о качестве воспроизведения музыки с
помощью аппарата американского изобретателя.
В начале XX в. Эдисон придумал способ получения железа из руды, потом создал новый вид
аккумулятора. За свою жизнь он получил 1093 патента — больше, чем кто бы то ни было в
мире.
В конце жизни великий изобретатель, чтобы помочь талантливым молодым людям,
увлечённым техническим творчеством, несколько раз организовывал конкурсы. Премии,
которые Эдисон назначал победителям конкурса, давали им возможность реализовывать свои
идеи на практике.
Томас Эдисон прожил 84 года, и до конца своих дней этот мудрый человек продолжал
изобретать.
Медаль, выбитая в США в честь 50-летия изобретения лампы Эдисона.
107
АЛЕКСАНДЕР БЕЛЛ
Изобретатель телефона Александер Грейам Белл (1847—1922) по своей основной
специальности был филологом. Он родился в шотландском городе Эдинбурге в семье
известного специалиста в области фонетики. Отец Александера много лет разрабатывал
систему записи звуков речи, пользуясь которой люди могли бы правильно произносить слова
на любом языке — от английского до китайского. Нет ничего удивительного в том, что
Александер Белл пошёл по стопам отца и уже в 17 лет получил должность преподавателя
музыки и ораторского искусства. Желая глубоко изучить звуковой строй языка, следующие
десять лет Александер Белл посвятил изучению акустики (от греи, «акустико'с» — «слуховой»)
— раздела физики, исследующего колебания звуковой частоты. В 1871 г. молодого учёного
пригласили в американский город Бостон, преподавать в школе для глухонемых. Здесь он
продолжил научные занятия.
70-е годы XIX в. — время бурного развития телеграфа. Американские фирмы стремились
первыми использовать новинки технического прогресса. Компания «Вестерн юнион» объявила,
что выплатит огромную сумму тому, кто сможет передать несколько телеграмм по одному
проводу одновременно. Александер Белл решил найти такой способ, и в этом ему помогло
полученное в юности музыкальное образование. Он рассуждал так: камертон отзывается на
одну ноту, т. е. на определённую частоту звуковых колебаний. (Камертон — технический
прибор, источник звука, служащего эталоном высоты звука при настройке музыкальных
инструментов и в пении.) Если послать по общему проводу несколько электрических сигналов,
каждый из которых соответствует определённой частоте, то в приёмном устройстве
электрические «камертоны» смогут разделить эти сообщения по несущей их «ноте». С
помощью придуманного Беллом телеграфа можно было одновременно передавать семь
телеграмм — столько же, сколько нот.
Работая над практическим воплощением своего замысла, Белл пришёл к идее создания
телефона; при этом оказались чрезвычайно полезными его знания в области акустики. При
телеграфировании по проводам передаются одинаковые электрические сигналы,
различающиеся только длительностью («точка» и «тире»). Для передачи речи необходимо было
научиться посылать сигналы, изменяющие силу тока соответственно высоте произносимых
звуков.
Принцип работы телефона Ьелла.
Звуки речи вблизи угдубления Ilf вызывают Колебания диафрагмы <21 и стержнетюго
мат нита <31. Движения стержневого магнита наводят а катушке <41 ток. который татем
передается по проводам (51 к другому абоненту. При ггриесгс ответа ток в катушке
вы гытктет комЧмния стержня (3) с воспроизведением звука диафрагмой.
Александер Белл.
Телефонный аппарат Белла — Блэка.
108
А. Белл во время первого телефонного разговора Нью-Йорк — Чикаго. 1892 г. Нью-
Йорк.
Патент на изобретение телефона Александер Белл получил 7 марта 1876 г. После этого он
предложил компании «Вестерн юнион» купить его за 100 тыс. долларов. Сумма, которую
Белл запросил у компании, была очень скромной: уже через несколько лет станет ясно,
что создание телефонной сети даст многомиллионные прибыли. Тем не менее «Вестерн
юнион» отказалась купить патент Белла. Руководство фирмы
считало, что если уж какой-то учитель глухонемых сумел придумать телефон, то
сотрудничающие с «Вестерн юнион» изобретатели — Томас Эдисон, Илайша Грей
(1835—1901) и другие — смогут изобрести более совершенное устройство.
В июне 1877 г. Александер Белл женился на глухонемой девушке Мейбл Хаббард, и
молодая чета отправилась в Англию. Тем временем друзья организовали показ нового
изобретения при дворе: британская королева и члены её семьи по телефону Белла
разговаривали друг с другом, декламировали стихи и даже пели. Молва о чудесном
открытии выходца из Шотландии разнеслась по всему миру.
Компания «Вестерн юнион» начала выпуск телефонов, игнорируя авторские права. И
тогда интеллигентному и деликатному Александеру Беллу пришлось осваивать суровые
правила конкурентной борьбы. В этом большую помощь ему оказали компаньоны, в том
числе и адвокат Гардинер Хаббард.
В конце 1879 г. «Вестерн юнион» заключила, наконец, соглашение с компаньонами
изобретателя. Была создана объединённая фирма «Белл компани», основная часть акций
которой принадлежала Беллу. Вскоре
цена одной акции компании поднялась до тысячи долларов.
В последующие годы телефон стали активно совершенствовать. К 1900 г. было выдано
более 3 тыс. патентов на изобретения, связанные с телефонными устройствами. В США к
тому времени установили уже 1,5 млн. аппаратов. Капитал телефонных компаний
оценивался почти в 6 млн. долларов, а выплаты акционерам составляли 3,9 млн. долларов
в год.
На полученные деньги Белл основал в Вашингтоне Институт имени А. Вольты. Здесь
изобретатели работали над дальнейшим совершенствованием телефона, фонографа и
электрической связи. Сам Белл работал над многими проектами, в частности в области
авиации и гидродинамики; занимался даже разведением овец. Материальная сторона дела
его уже не интересовала, зато большое удовлетворение приносила возможность
поддерживать талантливых учёных и изобретателей, таких, как А. Майкельсон и Г.
Кертис. По своему опыту Александер Белл знал, как важно своевременно помочь
одарённому человеку: в начале его собственных научных исканий огромную поддержку
Беллу оказал американский физик Д. Генри.
А. Белл во время демонстрации телефона в Салеме. Гравюра из газеты «Ньюсуик».
Телефонная станция. Петроград. Февраль-март 1917 г.
109
ВИЛЬГЕЛЬМ КОНРАД РЕНТГЕН
Известны рассказы о том, как случайность помогла сделать научное открытие. Конечно,
удачное стечение обстоятельств порой играет значительную роль, однако к выдающемуся
открытию приходят, как правило, после длительной и упорной работы.
Когда Вильгельм Конрад Рентген (1845—1923) сделал главное в своей жизни открытие, ему
было уже 50 лет. В Германии он считался одним из лучших физиков-экспериментаторов и с
1888 г. руководил физическим институтом Вюрцбургского университета.
Директор института имел обыкновение допоздна засиживаться за опытами в лаборатории. Так
было и вечером 8 ноября 1895 г. Оба ассистента уже ушли домой, а сам учёный продолжал
работать. В очередной раз он включил ток в катодной трубке, закрытой со всех сторон плотной
чёрной бумагой. (Катодная трубка — это стеклянный вакуумный прибор, в котором
осуществляется электрический разряд.) Лежавшие неподалёку кристаллы платиноцианистого
бария начали светиться зеленоватым светом. Рентген выключил ток — кристаллы светиться
перестали. Он снова подал напряжение на прибор, и опять в кристаллах, ничем не связанных с
трубкой, возникло свечение.
Рентген понял, что столкнулся с ещё не изученным явлением. В эту ночь он так и не ушёл из
лаборатории.
В результате дальнейших исследований учёный пришёл к выводу, что из катодной трубки
исходит неизвестное излучение, которое он назвал икс-лучами. Эксперименты показали, что
икс-излучение возникает в месте столкновения катодных лучей с преградой внутри прибора.
Рентген сделал трубку специальной конструкции с плоским антикатодом, являющимся такой
преградой и обеспечивающим интенсивный поток икс-лучей. С помощью этой трубки (позже
её назвали рентгеновской) он изучил и описал основные свойства таинственного излучения,
впоследствии названного рентгеновским. Оказалось, что икс-лучи способны проникать сквозь
многие непрозрачные материалы; при этом они не отражаются и не преломляются.
Рентгеновские лучи ионизуют окружающий воздух и засвечивают фотопластинки. Учёным же
были сделаны и первые снимки с помощью рентгеновских лучей.
Открытие немецкого учёного имело огромное значение для развития науки. Исследования с
использованием рентгеновских лучей позволили получить новые сведения о строении
вещества, которые вместе с другими открытиями того времени заставили пересмотреть целый
ряд положений классической физики. Очень скоро рентгеновские трубки нашли применение в
медицине и различных областях техники.
К Вильгельму Рентгену стали обращаться представители промышленных фирм с
предложениями выгодно продать права на использование изобретения. Но учёный отказался
запатентовать открытие: свои исследования он не считал источником дохода.
Рентген был честным и исключительно скромным человеком. Когда за достижения в науке
принц-регент Баварии наградил учёного высоким орденом, дававшим право на дворянский
титул и соответственно на прибавление к фамилии частицы «фон», Рентген не счёл для себя
возможным притязать на дворянское звание. Нобелевскую же премию, которую ему, первому
из физиков, присудили в 1901 г., Рентген принял.
Во время Первой мировой войны правительство Германии обратилось к населению с просьбой
помочь государству деньгами и ценностями. Рентген отдал все свои сбережения, включая
Нобелевскую премию. В 1919 г. умерла жена, и 74-летний учёный остался один (детей у него
не было).
К этому времени рентгеновские трубки получили широкое применение во многих странах.
Появились даже новые области науки и техники — рентгенология, рентгенодиагностика,
рентгенометрия, рентгеноструктурный анализ и др. Весь мир узнал о рентгеновских лучах, а
автор выдающегося открытия был, по существу, забыт.
Вильгельм Конрад Рентген умер 10 февраля 1923 г., в возрасте 78 лет. Один из первых
памятников выдающемуся учёному был установлен в России, в городе Санкт-Петербурге.
Вильгельм Рентген.
Принцип АГНСТВИЯ
рснп ГШМИМОИ ФУ<ЖИ.
К л тол (К) испугкаст
ДВИЖУ ШИТС9 >
Пв» напрдвлгян1О к О f —
поломите мын> .ырмжснмс»му
ЛНОАу ПрМ ГТОЛКИОвСМИИ
гурктронов i ПЛОСКОЙ чагтыи
•HMUU1 ^ам11жатидом> мпнинас!
рент г ел кик кое излучение (XI. попж
котирп» выхолит и ирглслы труСжм.
110
технологий, которые назвали наукоёмкими и высокими.
Современная техника основана на использовании атомной, квантовой, электронной, лазерной,
электрохимической и прочих высоких технологий. На создание такой техники затрачивается,
как правило, меньше материалов, энергии и человеческого труда, но зато она требует гораздо
больших затрат на развитие науки и профессиональную подготовку специалистов.
ЭЛЕКТРОТЕХНИКА, КОТОРАЯ ИЗМЕНИЛА МИР
XX век называют по-разному — и ядерным, и космическим, и информационно-компьютерным.
Но, пожалуй, самое точное определение — «век электричества». В наших домах полно
электрических приборов: утюгов, пылесосов, стиральных машин, телевизоров, компьютеров.
На улицах — трамваи и троллейбусы, работающие на электричестве. На железных дорогах —
электрички, под землёй — метро. На заводах — станки с электроприводом.
С электрическими явлениями человек познакомился ещё в древности. Было замечено, что
янтарь притягивает мелкие соринки и пух. А если потереть шар, отлитый из серы или стекла,
он обнаружит те же свойства, что и янтарь. По-древнегречески янтарь — «электрон», поэтому
такие опыты стали называть электризацией, а сами явления — электрическими. В Средние
века научились делать «электрофорные машины», которые давали искры длиной несколько
сантиметров. Однако постоянно работающие источники электричества появились позже —
только в конце XVIII в.
В 1790 г. Луиджи Гальвани (1737— 1798), известный итальянский физиолог, исследуя
препарированную мышцу лягушачьей лапки, заметил, что она сокращается, если к ней
прикоснуться одновременно двумя предметами, сделанными из разных металлов. Почему так
происходит, объяснил другой замечательный итальянский учёный — Алессандро Вольта
(1745—1827). Он доказал, что две пластины из разнородных металлов в растворе соли (в
данном случае его роль играла кровь) рождают электричество.
В 1799 г. Вольта создал первый искусственный источник электрического тока. Он представлял
собой медные и цинковые кружки с суконными прокладками между ними. Прокладки были
пропитаны слабым раствором кислоты. Своё изобретение Вольта назвал в честь Л. Гальвани
гальваническим элементом. Чтобы получить более или менее приличную электрическую
мощность, элементы приходилось последовательно соединять в батареи (их именовали
«вольтовыми столбами»).
Самый простой гальванический элемент состоит из двух опущенных в раствор серной кислоты
пластин — цинковой и медной. Цинк в ходе сложного химического процесса начинает
растворяться в кислоте, отдавая положительно заряженные ионы. На пластине (катоде)
остаются электроны, и она приобретает отрицательный заряд. Медная пластина (анод)
заряжается положительно. Между электродами возникает разность потенциалов —
электродвижущая сила (ЭДС). Если пластины соединить проводником, электроны побегут по
нему от катода к аноду — пойдёт постоянный электрический ток.
Долгие годы гальванические элементы были единственными источниками тока. С них, по
существу, и началась электротехника. Гальванические элементы дали ток для первых опытов
французского физика Андре Мари Ампера (1775—1836), который установил один из главных
законов электричества — закон взаимодействия проводников с током. Этот закон
Алессандро Вольта. Луиджи Гальвани.
111
Гальванический элемент, или «вольтов столб». Начало XIX в. Политехнический музей.
Москва.
исправно действует во всех электрических машинах, электромагнитах, реле и вообще везде, где
по проводнику течёт ток. Гальванические элементы использовал немецкий физик Георг Симон
Ом (1787—1854), когда в 1827 г. установил зависимость между напряжением, действующим в
электрической цепи, силой тока и сопротивлением проводника. Русский учёный Василий
Владимирович Петров (1761—1834) зажёг в 1802 г. первый электрический источник света —
электрическую дугу с «огромной наипаче батареей» из 2100 медно-цинковых элементов.
Исследовав свойства дуги, Петров понял, что её можно применять не только для освещения, но
и для сварки металлов. Учёный назвал полученную им электрическую дугу вольтовой.
В дальнейшем гальванические элементы Вольты были усовершенствованы, и появились всем
хорошо знакомые батарейки. На них работают переносные радиоприёмники, плейеры и другие
приборы, когда их нельзя подключить к электрической сети. Электролитом в батарейках
служит
Устройство промьшменнсмо г енер.нора постоянней о тока.
Мет а аамчоский корпус генератора ftl имеет набор электромагнитов (2). Якорь 6Ц
собранный из металлических пластин, несёт проволочные катушки — обмотки. В них
при вращении якоря возникает электрический ток, поступающий на медные пластины
коллектора (4 К Ток с коллектора снимается щетками i'6A Ось якоря опирается на
подшипники (5).
Первые промышленные генераторы постоянного тока появились в 70-х гт. XIX в.
Принтп работы генератора постоянного г<ии.
Принцип действия генератора основан на том,
что в рамме, врашагштейс я в магнитном паче,
возникает электрольижушэя сила. Рамка имнч
коллектор - лва полукольца, через которые
ток гмфздайМся на неподвижные щетки (А/ и (СК
При вращении рамки направление тока,
снимаемого с полуколеи, остаётся постоянным,
хотя его величина меняется, пульсирует.
раствор нашатыря, сгущенный пшеничной или картофельной мукой.
Существуют и «обратимые» элементы. Если к электродам подвести внешнее напряжение, то в
элементе будет накапливаться химическая энергия, которую можно снова превратить в
электрическую. Такие элементы называются аккумуляторами (от лат. accumulator —
«собиратель»). Электроды у них либо свинцовые, залитые кислотой, либо кадмиево-никелевые,
погружённые в щёлочь.
Электричество дают и термоэлементы (от греч. «те'рме» — «тепло»), или термопары, —
проволочки из разных металлов, концы которых сварены попарно. Если место соединения
нагреть, на свободных концах возникнет электродвижущая сила. Мощность таких генераторов
невелика, поэтому термопары применяют в измерительных приборах.
В 1820 г. датский физик Ханс Кристиан Эрстед (1777—1851) обнаружил связь между
электричеством и магнетизмом. Он заметил, что стрелка компаса отклоняется, когда по
лежащему рядом проводу идёт ток. Об этом явлении узнал английский учёный, блестящий
экспериментатор Майкл Фарадей (1791 — 1867). Он повторил опыты Эрстеда, а спустя год
112
ИЗОБРЕТЕНИЕ ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ СВАРКИ
В конце 60-х гг. XIX в. американский электромеханик Илайю Томсон (1853—1937) впервые
осуществил электрическую сварку металлов. Через две металлические детали,
соприкасающиеся в месте, подлежащем сварке, пропускался ток большой силы. Электрическое
сопротивление контакта деталей было очень велико, и выделялось так много тепла, что металл
плавился, и детали прочно соединялись.
Чтобы применить изобретение Томсона на практике, потребовалось значительно
усовершенствовать оборудование и технологию процесса. Большой вклад в этой области
внесли русские инженеры Николай Николаевич Бенардо'с (1842—1905 ) и Николай Гаврилович
Славянов (1854—1897).
В 1882 г. Бенардос создал устройство для луговой электрической сварки. Своё изобретение он
назвал «Электрогефест» (по имени Гефеста — древнегреческого бога огня и покровителя
кузнечного ремесла). Электрическая дуга возникала между свариваемым металлом и угольным
электродом, закреплённым в рукоятке. Уголь не приваривается к металлу, поэтому сварка
могла осуществляться непрерывно. В 1887— 1888 гг. способ дуговой сварки Бенардоса
впервые применили в паровозных мастерских Воронежа и Рославля, а вскоре он получил
широкое применение и за рубежом.
Иной метод сварки предложил Н. Г. Славянов, работавший на Пермских пушечных заводах в
селе Мотовилиха. Электрод был металлическим, при горении дуги плавился и заливал сварной
шов.
«Плавильник» Славянова использовали на Пермских заводах при ремонте крупного вала
паровой машины (1888 г.), а также при постройке большого буксирного парохода «Редедя
князь Касожский» (1889 г.). В дальнейшем способ, изобретённый
Николай Николаевич Бенардос.
Николай Гаврилович Славянов.
Н. Г. Славяновым, получил название метола горячей сварки.
В настоящее время электросварка — один из наиболее распространённых способов соединения
деталей в машиностроении, строительстве и множестве других отраслей промышленности. К
концу XX в. разработано оборудование для получения сварных микросоединений, сварки под
водой и в космосе, с помощью автоматов и роботов.
Магнитоэлектрическая машина Кларка. 1836—1840 гг. Политехнический музей. Москва.
Принцип pjOoiM эле*iромаI Минки о дяиы1еля Якоби.
I ктюлдиАнля грчппа ич)(ммэных магнитов IМ — статор питается током
нсспм |М’А4 пм’нно от гальванич<чм1И батареи (21: направление пжа в магнитах остается
нем он'Нным. Подвижная грунты электромагнитов U) — ротор подключен к батарее
‘•ере л коммутатор 6Р, г Помон и.м> которого ток в маг нитах и. гледд геательмо, их
полярное тъ \ц*няи»1гя ж к емь pat та один оборот лиска t5f.
Подвижные магниты попеременно притшиваинся и отталкиваются от неподвижных,
и мал лвиигеля i’6* начинает нраиыты'я. Мошжкть лвитагеля Якоби — около 15 Вт,
уже смог наблюдать вращение магнита вокруг провода с током. Учёный поставил перед собой
новую задачу — «превратить магнетизм в электричество». На её решение ушло десять лет. В
1831 г. Фарадей понял, что только переменное магнитное поле может породить электричество.
Так была открыта электромагнитная индукция. В дальнейшем это привело к созданию
генератора электрического тока.
В 1839 г. в Петербургской академии наук начал работать замечательный изобретатель-
электротехник Борис Семёнович Якоби. Ещё в 1834 г. он изобрёл и построил первый
электродвигатель — машину, которая энергию электрического тока превращает в работу.
Позднее вместе с Эмилием Христиановичем Ленцем (1804—1865) Якоби исследовал действие
электромагнитов и написал первый в мире труд по теории электрических машин постоянного
тока. Э. X. Ленц изучал связь между магнитным полем, направлением движения проводника и
направлением тока в этом проводнике. Исследования позволили Ленцу в 1833 г. установить
закон обратимости электрической машины. Если её подсоединить к двигателю и раскрутить,
машина станет генератором электроэнергии; если подключить к источнику тока — будет
работать как электромотор.
В 1891 г. выдающийся русский электротехник Михаил Осипович Доливо-Добровольский (1861
или 1862—1919) совершил настоящий переворот в электротехнике — создал генератор
трёхфазного переменного тока и трёхфазный электродвигатель. Чтобы понять всю важность
сделанных им изобретений, достаточно сказать, что сегодня 95 % электроэнергии
производится, передаётся и потребляется в виде трёхфазного тока. Переменным такой ток
называют потому, что он периодически меняет свою величину и направление. Одной из
главных характеристик переменного тока служит частота этих изменений. В Европе (и в нашей
стране тоже) частота переменного тока составляет 50 колебаний в секунду,
114
БОРИС СЕМЁНОВИЧ ЯКОБИ
Борис Семёнович Яко'би (Мориц Герман фон Якоби; 1801—1874) родился в прусском городе
Потсдам. В 1823 г. окончил Гёттингенский университет, получив специальность архитектора;
до 1833 г. работал в строительном департаменте Пруссии. Однако будущего учёного влекла не
карьера чиновника, а наука, особенно те области физики и механики, которые имели
отношение к практическому применению электричества.
В 1834 г. Якоби переехал в Кёнигсберг (с 1946 г. город Калининград). Здесь он разработал
оригинальную, практически пригодную конструкцию электродвигателя.
Работа Якоби привлекла внимание знаменитых учёных — Карла Максимовича Бэра (1792—
1876) и Василия Яковлевича Струве (1793—1864). В 1835 г. по их инициативе Якоби был
приглашён на должность профессора кафедры гражданской архитектуры в один из крупнейших
научных центров России — Дерптский (ныне Тартуский, на территории Эстонии) университет.
Там он читал курс физико-математической теории машин и занимался исследованиями в
области «чистой и прикладной электрологии».
В 1837 г. Якоби переехал в Петербург, где в последующие 20 лет выполнил ряд важнейших
работ по электротехнике. В июне того же года была создана «Комиссия для производства
опытов относительно приспособления электромагнитной силы к движению машин по способу
профессора Якоби», в которую входили известные учёные. Работая в комиссии, Якоби изобрёл
несколько конструкций электродвигателя. Один из них был установлен на катере-
«электроходе», совершившем в сентябре 1838 г. первое плавание по Неве. Газета «Санкт-
Петербургские ведомости» писала: «...важный шаг сделан, и России принадлежит слава
первого применения энергии (электричества. —Прим, ред.) на практике».
Однако широкое применение электродвигателя в то время было невозможно, так как
единственным источником тока оставалась гальваническая батарея. В 1837 г., работая над
усовершенствованием гальванического элемента, Якоби обнаружил интересное явление. Форма
снятого с катода кусочка осаждённой меди полностью повторяла поверхность катода. В
октябре 1838 г. учёный сообщил Петербургской академии наук о разработанном им
гальванопластическом процессе, а в 1840 г. опубликовал его полное описание. Якоби указывал:
«...в данном случае гальванизм (электричество. — Прим, ред.) в первый раз выйдет из рук
физиков и из их кабинетов, с тем чтобы проникнуть в мастерские ремесленников и
художников». Изобретение учёного получило высокую оценку в России. В 1840 г. ему была
присуждена Демидовская премия за работу «Гальванопластика, или Способ по данным
образцам производить медные изделия с помощию гальванизма». Эту премию Якоби «пожелал
употребить на дальнейшие исследования и опыты по части электромагнетизма и гальванизма и
усовершенствование теории сих загадочных сил природы». Он отказался от патента и передал
своё изобретение для всеобщего использования. Гальванопластика быстро получила мировое
признание и широкое практическое применение в типографском деле и при чеканке монет, а
также в производстве художественных изделий.
В 1840 г. Якоби первым указал на возможность применения электрического разложения
химических соединений металлов ещё в двух областях — гальваностегии и
гидроэлектрометаллургии.
Одновременно с опытами по гальванопластике учёный исследовал проблему передачи тока по
проводам на различные расстояния. Практическим приложением этой работы стало создание
электромагнитного телеграфа и опыты по взрыванию мин с помощью электричества. Якоби
одним из первых построил кабельные телеграфные линии. Линия Петербург — Царское Село
имела протяжённость около 25 км (1841—1843 гг.).
С 1839 г. Б. С. Якоби состоял в «Комитете о подводных опытах», где под его руководством в
течение 15 лет проводилась разработка минного оружия для русской армии и флота.
Возможность взрывания мин с помощью электричества на большом расстоянии была доказана
трудами русского изобретателя Павла Львовича Шиллинга (1786—1837). Продолжая его
работы, Якоби попытался применить явление электромагнитной индукции, открытое Майклом
Фарадеем, для создания нового источника тока. Предложенная «электромагнитная батарея»
состояла из магнитоэлектрической машины (генератора) и «индукционного катка» и
представляла собой первую искровую генераторную систему зажигания высокого напряжения
с индукционной катушкой.
Деятельность Б. С. Якоби высоко ценили его современники. Вот как отозвалась Академия наук
на его смерть: «...можем мы пытаться умерить скорбь этой потери воспоминанием о пользе,
принесённой покойным науке, искусству, промышленности, и об уважении, которым его имя
пользуется как в нашем отечестве, так и во всех образованных странах земли... безраздельна
была... его любовь к науке. Он жил ею и для неё. Того, что он сделал в жизни, достаточно для
его бессмертия в науке».
Борис Семёнович Якоби.
115
ИЗОБРЕТЕНИЕ ЭЛЕКТРОДВИГАТЕЛЯ
В 1831 г. выдающийся английский учёный Майкл Фарадей открыл явление электромагнитной
индукции. Проведённые им эксперименты показали, что для получения электричества не
обязательно использовать гальванические элементы. Электрический ток можно создавать
индукционным методом, перемещая проводник в магнитном поле. Сделав это открытие,
Фарадей провёл множество опытов с большим магнитом Королевского научного общества
Англии и в результате сконструировал первый электромашинный генератор тока, известный
как «диск Фарадея».
После столь удачных экспериментов английского учёного за разработку пригодного для
практики электрического двигателя принялись изобретатели других стран. И среди них
российский физик и электротехник Б. С. Якоби. В 1834 г. он построил электродвигатель,
действие которого было основано на притяжении
Майкл Фарадей.
и отталкивании электромагнитов. Сходные по принципу действия двигатели сделали в разное
время также Т. Девенпорт, П. Фроман и Ч. Пейдж. Все эти устройства имели большие размеры,
малую мощность, значительное магнитное рассеяние и низкий коэффициент полезного
действия. Для устранения столь серьёзных недостатков потребовалось больше 50 лет.
В 1885 г. итальянский физик Г. Феррарис и американский изобретатель сербского
происхождения Н. Тесла независимо друг от друга открыли, что при подаче переменных токов
на две (или более) катушки индуктивности можно получить вращающееся магнитное поле. В
том случае, если на катушки подаётся два переменных тока, различающихся по фазе, систему
называют двухфазной. Тесла и Феррарис разработали первые конструкции подобных
двухфазных электродвигателей (один из них — «диск Феррариса» — стал основой
электрического счётчика, установленного в каждой квартире).
Однако дальнейшее развитие техники связано с более совершенной электрической системой —
трёхфазным током. Одним из тех, кто внёс большой вклад в эту область электротехники, был
русский инженер М. О. Доливо-Добровольский. Он первым предложил сделать ротор двигателя
в виде так называемой беличьей клетки, что позволило уменьшить электрическое и магнитное
сопротивление и значительно повысить эффективность работы. Конструкция этого ротора без
принципиальных изменений сохранилась до настоящего времени.
В 1890 г. Доливо-Добровольский построил трёхфазный двигатель мощностью 3,7 кВт и
трёхфазный трансформатор, необходимый для передачи электроэнергии на большие
расстояния. Продемонстрировать их действие удалось в 1891 г. на Международной
электротехнической выставке во Франкфурте.
Михаил Осипович Доливо-Доброволъский.
В тот период изобретатель работал в германской фирме AEG, входившей в число мировых
лидеров по производству оборудования и созданию электрических сетей. Руководство фирмы
решило построить экспериментальную линию длиной 170 км для передачи электроэнергии от
генератора, установленного на водопаде вблизи города Лауфен, к зданию, в котором проходила
выставка. В выставочном павильоне разместили двигатель конструкции Доливо-
Добровольского мощностью 75 кВт. В день показа, 12 сентября 1891 г., съехавшиеся во
Франкфурт со всего мира специалисты-электротехники собрались у экспоната. И вот
постепенно новый двигатель начинает набирать обороты, а затем выходит на нормальный
режим работы. Загораются лампы накаливания, и двигатель приводит в действие
искусственный ручей с небольшим водопадом.
Это было блестящее решение проблемы передачи энергии на большие расстояния с помощью
трёхфазной системы тока. Так началось широкое применение электрических двигателей в
промышленности.
116
Электродвигатель Якоби. 1834 г. Копия. Политехнический музей. Москва.
Принцип работы электродвигателя Риччи. 1833 г.
Между полюсами S и N постоянного магнита расположен ротор с электромагнитами (Г) и (2).
При подаче тока на электромагниты ротор приходит в движение. Чтобы он вращался в одном
направлении, полярность электромагнитов (т. е. направление проходящего через них тока)
необходимо периодически менять. Этой цели служит коммутатор (3), дважды размыкающий и
замыкающий электрическую цепь за время одного оборота ротора.
Электродвигатель Фромана. 1847 г. Политехнический музей. Москва.
Электродвигатель Доливо-Добровольского (мощность 4,5 кВт).
Политехнический музей. Москва.
117
1889—1890 гг.
или 50 герц, а в Америке, например, она немного выше — 60 герц.
Трёхфазным называют генератор с тремя обмотками, которые расположены друг к другу под
углом 120°.
В каждой обмотке при вращении в магнитном поле возникают переменные токи, которые тоже
«сдвинуты» на 120°. Вот эти токи и называют фазами.
НИКОЛА ТЕСЛА — ИССЛЕДОВАТЕЛЬ И МЕЧТАТЕЛЬ
Исследования, связанные с разработкой и производством сложной техники, могут успешно
проводиться только там, где хорошо развиты наука и промышленность. Поэтому талантливым
изобретателям порой приходится покидать родину, уезжать в страны, где условия для
перспективных разработок лучше.
Замечательный изобретатель и учёный Никола Те'сла (1856—1943), серб по происхождению,
родился в небольшом хорватском селе Смиляны. Ещё в реальном училище Никола поражал
педагогов своими способностями: он мог в уме производить сложные математические
вычисления. Мальчик в короткий срок научился свободно говорить по-немецки, по-французски
и по-итальянски.
В Хорватии в то время не было высших учебных заведений, и по окончании училища в 1875 г.
Никола Тесла отправился в австрийский город Грац, где поступил в Высшую техническую
школу. Любимым предметом студента Теслы вскоре становится электротехника. Уже тогда у
него проявилось важное для будущей работы качество — удивительная инженерная интуиция.
Изучая электротехнику по книгам, Тесла пришёл к убеждению, что применявшиеся в то время
электрические машины постоянного тока должны в будущем уступить место машинам
переменного тока. Над этим молодой учёный продолжал размышлять и по окончании Высшей
технической школы. В 1882 г. Тесла придумал, как можно сделать электродвигатель
переменного тока, используя так называемое вращающееся магнитное поле. Однако
талантливому
изобретателю не удалось реализовать свои идеи, ив 1884 г. Тесла покинул Европу и уехал в
США.
Выходцу из маленькой Хорватии оказалось непросто найти в Америке работу, о которой он
мечтал. Какое-то время пришлось зарабатывать на жизнь грузчиком, рабочим на стройке. Но
Тесла верил в перспективность своего изобретения и, в конце концов, нашёл
единомышленников среди американских инженеров. Производством электродвигателей Теслы
начинает заниматься крупнейшая компания «Вестингауз», а сам учёный получает возможность
работать над новыми идеями в хорошо оборудованной лаборатории.
Никола Тесла относился к категории людей, которых называют фанатиками своего дела.
Обычно он тратил на сон не более пяти часов, а всё остальное время отдавал науке. С начала
90-х гг. главной областью исследований Теслы становятся токи высокой частоты.
В 1891 г. он создал прибор, который назвал резонанс-трансформатором; в технической
литературе он именуется «трансформатором Теслы». Этот прибор давал возможность получать
токи высокой частоты (десятки тысяч герц) при напряжениях до 106 В. Такие токи позволили
создавать разряд длиной в несколько метров.
Резонанс-трансформатор Теслы сыграл большую роль в дальнейшем развитии электротехники
и особенно радиотехники. На своём приборе изобретатель провёл множество разнообразных
опытов с токами высокой частоты, в том числе исследовал их влияние на организм человека.
Тесла обнаружим! в частности, что токи высокой частоты, благодаря тепловому эффекту, могут
быть с успехом использованы в медицине. Так
Никола Тесла.
появились новые методы лечения — токами ультравысокой частоты (УВЧ). Изобретение Теслы
было использовано также для разработки высокочастотного, а затем и сверхвысокочастотного
метода нагрева деталей, плавки металлов и т. и.
Другой областью, где Тесла достиг значительных успехов, была радиотехника. В 1896 г.
изобретатель построил недалеко от Нью-Йорка небольшую радиостанцию, сигналы которой
можно было принимать на расстоянии до 32 км. Особенно интересовал учёного вопрос, можно
ли с помощью радиосигналов управлять различными механизмами и машинами на расстоянии.
В 1898 г. он построил модель радиоуправляемого корабля, которая с большим успехом
демонстрировалась на электротехнической выставке в Нью-Йорке. Эта работа положила начало
телемеханике — области техники, без которой сегодня немыслимо управление
автоматическими аппаратами, работающими в космосе, глубинах океа-
118
Для чего же понадобилась такая сложная система? Дело в том, что большую часть
электроэнергии потребляет промышленность, различные электродвигатели. У машин
постоянного тока и обычного переменного тока на роторе есть обмотка, по которой идёт ток.
Подаётся он на крутящийся ротор через систему контактов (коллектор), по которым
Обмотки транс форматора /I,/ и И J
погружены в м.клянук) ванну м.*< м> — очень
хороший июлятор). Def шинная обмотка ILJ
с конденсаторами Ю (лейденскими банкамиi
и искровым промежутком образуют
колКы тельный контур. К контуру гимклягтем
генератор — индукционная катушка (/).
которая при замыкании прерывателя (К)
превращает постоянный ток батареи f£ >
в переменный ток высокой частоты. Когда
контур настраивают в резонанс. амплитуда
колебаний тока в нбм резко возрастает.
В искровом промежутке возникает
вьл окочас тотннн разряд, а в первичной
обмотке - коиЧмния сильного том. Они
HHAVlinpyUT ВО ВТОри*1Н0»1 обмотке it J токи
высокой частоты напряжением до 10 кВ.
на, на объектах с повышенной радиацией и т. п.
Тесла был очень близок и к тому, чтобы первым осуществить радиосвязь — систему приёма и
передачи сигналов с помощью электромагнитного излучения. Однако, опередив других в
создании радиопередающего устройства, исследователь не смог разработать соответствующий
радиоприёмник — раньше его это сделали российский физик А. С. Попов (1895 г.), а затем
итальянский радиотехник Г. Маркони (1897 г.). В то время Тесла вынашивал идею более
грандиозного проекта — беспроводной передачи на расстояние больших энергий — и не хотел
тратить усилия и время на более «мелкие» проблемы. В своей лаборатории в Нью-Йорке он
строил всё новые высокочастотные установки, на которых можно было получать напряжение в
несколько миллионов вольт. Электрические разряды, возникавшие при таких напряжениях,
напоминали молнии; их изучению учёный уделял большое внимание. Его замыслы
устремлялись в будущее: он мечтал покорить молнию, чтобы заставить это грозное явление
природы служить человеку. В 1899 г. Тесла вместе с группой сотрудников переехал в
высокогорный район штата Колорадо. Талантливого инженера привлекало то, что в этой
местности часто бывают грозы, сопровождаемые мощными молниями. Здесь он начал строить
свою самую крупную установку, которую назвал «Мировая система». Однако планы учёного
опережали возможности науки и техники того времени. В Колорадо его опыты достигли
апогея: звуки разрядов напоминали артиллерийскую канонаду, а из металлического шара,
установленного на высокой мачте, вылетали молнии длиной до 100 м. Ни одна электростанция
не была рассчитана на эксперименты с такими токами. От перегрузки обмотка генератора на
электростанции «Колорадские источники» сгорела, и Тесле пришлось изменить программу
исследований.
Своей главной цели — беспроволочной передачи энергии — изобретателю достичь не удалось.
Однако он многое сделал для развития высокочастотной техники, и следующее поколение
учёных и инженеров использовало его опыт.
И может быть, в XXI в. осуществится мечта Николы Теслы, и человек научится передавать
энергию без проводов в любых количествах и на любые расстояния.
119
Схема магнитоjACMVpHMTCKUfо тенерагора Якоби.
I nicpjiop ЯмМж предс тавлял соГмйт .мы постоянных U-ойралных м.мннг<1 ill,
обращённых друг к другу* разноименными помехами и находящихся на некотором
|ы< с точной о.хин сп другого. Между полях ами магнитов могли врашагы я дм* катушки 12).
< ослинёниыг между собой параллельно. 1|ри этом в катушках вотнюсал электрический
ток. Магнитомектрическии генератор был снабжён коммутатором fj.f из двух полуколец,
на которые нажимали щётки М/, вследствие чего он давал во внешнюю цепь так
называемый пульсирующий ток одного направления. Враш«*ние магнитоэлектрического
генератора пром вводилось вручную посредством обычной рукоятки
Устройство асинхронного двигателя
переменного тока.
В статор ! FI с рабочей обмоткой
вставляете я ротор (2! с лопастями
вентилятора 131. ()бм«ттки статора
представляют собой три группы
катушек, н которые подлёт (м
злектричеч кий ток. В ротор
двигателя вставлена «беличья
клетка» набор медных стержней,
соединённы* кольцами,
скользят неподвижные щетки — упругие пластины из бронзы или бруски из графита. Щётки
искрят и быстро
выходят из строя. Доливо-Добровольский решил обойтись без них.
Учёный заменил обмотку ротора «беличьей клеткой» — набором толстых медных стержней,
концы которых были соединены (электрики говорят «закорочены») двумя кольцами.
Переменное магнитное поле статора возбуждает в проводниках «клетки» сильный
электрический ток. Он взаимодействует с полем статора, поворачивая ротор. А чтобы ротор
вращался плавно и двигатель был мощным, требовалось создать магнитное поле, «бегущее» по
кругу. Для этого в статоре нужны были, как минимум, три системы обмоток, токи в которых
«сдвинуты» на 120°, т. е. трёхфазный ток. Ротор двигателя вращается «не в такт» (несинхронно)
с полем, а всё время немного отстаёт от него. Поэтому машина, созданная Доливо-
Добровольским, и называется «трёхфазный асинхронный двигатель с короткозамкнутым
ротором».
Главное достоинство переменного тока — возможность легко менять напряжение. Для этого
используются трансформаторы — аппараты с парой обмоток, намотанных на замкнутый
стальной сердечник. Переменное магнитное поле одной обмотки возбуждает ЭДС в другой. И
если число витков во второй обмотке, скажем, в два раза больше, чем в первой, то и
напряжение в ней будет соответственно в два раза выше. Переменный ток можно
преобразовать в постоянный с помощью так называемых выпрямителей.
ЭЛЕКТРОННЫЕ ПРИБОРЫ
Конец XIX столетия ознаменовался значительными достижениями в развитии электротехники.
В разных странах строились всё более мощные электростанции, снабжавшие энергией заводы и
фабрики. Промышленные предприятия стали преображаться: на смену оборудованию,
приводившемуся в движение от общего ремённого
привода, пришли станки с электродвигателями. В крупных городах стало появляться
электрическое освещение.
В этот период учёными были сделаны крупные открытия, связанные с исследованиями
природы электричества. В 1897 г. английский физик Джозеф Джон Томсон (1856—1940)
экспериментально доказал сущест-
120
вование мельчайших заряженных частиц — электронов. Опыты Томсона дали толчок работе
изобретателей над техническими устройствами, использующими потоки электронов.
ЭЛЕКТРОВАКУУМНЫЕ ПРИБОРЫ
В 1904 г. английский учёный Дж. Флеминг создал первую электронную лампу — диод. Из
герметичного стеклянного корпуса лампы выкачан воздух, внутри находятся два электрода —
катод и анод. Анодом служит металлическая пластинка, а катод в простейшем виде
представляет собой тонкую вольфрамовую нить, нагреваемую электрическим током. Из
раскалённого металла вылетают электроны — отрицательно заряженные частицы.
Когда на анод подаётся положительный электрический заряд, он начинает притягивать
отрицательно заряженные электроны. Через лампу идёт электрический ток, который называют
анодным.
Электронные лампы.
Лвиаенис ъычгтронов в хевтрмчесжом пои*
между катодом и анодом.
Если на анод подать отрицательный заряд, он станет отталкивать вылетающие электроны и
возвращать их обратно на катод. Анодный ток будет равен нулю — диод «заперт».
Свойство двухэлектродной лампы проводить ток только в одном направлении (от катода к
аноду) используется в различных радиоприёмных устройствах и для выпрямления переменного
тока — преобразования его в постоянный.
Через два года после изобретения Флемингом диода, в 1906 г., американский учёный и
предприниматель Ли Форест (1873—1961) разработал трёхэлектродную лампу, или триод.
В триоде между катодом и анодом размещён ещё один электрод — управляющая сетка. Если
на сетку подать положительный электрический потенциал, она ускорит движение электронов к
аноду; если отрицательный — движение электронов прекратится и лампа «запрётся». А это
значит, что слабые электрические колебания, поданные на сетку, вызовут точно такие же
колебания анодного тока. Произойдёт усиление сигнала в сотни и тысячи раз.
Izsl
V(троне 1Ш1
АЖУЖ МСЖТроДМОЙ ЛАМПЫ —
АЯОЫ.
121
Усгройово
трехэлектродной
лампы — триала.
I
Триоды появились, когда во всём мире бурно развивалась радиотехника, проводились опыты
по радиосвязи между разными городами и странами. Триоды стали неотъемлемой частью
усилителей радиоприёмных устройств.
По мере развития радиотехники были сконструированы более сложные лампы — тетроды,
пентоды (с четырьмя и пятью электродами соответственно) и т. д. Электроны стали ускорять,
замедлять, собирать в пучок
В конце XIX в. немецкому физику Карлу Фердинанду Брауну (1850— 1918) пришла мысль
использовать электронный пучок как своего рода световой карандаш. Если направить
сфокусированный пучок электронов на экран, покрытый специальным веществом —
люминофором, то экран начинает светиться в том месте, где они в него ударяют. Перемещая
электронный луч электрическими или магнитными полями, можно рисовать на экране линии.
При изменении плотности потока электронов яркость свечения меняется, что позволяет
рисовать лучом не только линии, но и движущиеся чёрно-белые картинки.
4
Принцип испо.льзованмя трио ла Фореста
для усиления сигнала в радиоприёмнике.
11а антенну М) приходит радиосигнал; через
катушку индуктивное г и '51 и конденсатор 161
он передаётся на тетку (Л. Накалённая нить
катода (11 испускает электроны. летящие
может значительно усиливать или ослаблять
клектронныи ток в зашинмостм от паданием о
на неё потенциала. Изменения потенциала
воспроизводят радиосигнал.
Принцип действия электронно* лучевое о
прибора (ЭЛП).
Источником электронов в ЭЛП является
катод (К). С гэомошыо управляющего
электрода 1Мт и ус коряммиего электрода (У)
электронам придаёте я движение в виде
направленного пучка - луча Ш. Часть ЭЛП
где создаётся тлектрониый луч (обозначена
цифрой 2), называип клея тронным
прожектором. Пластины L6. на которые
подаётся тлектрмчеч кии заряд, могут
отклонять электронный луч как в
гори.юнтдльном, так и в вертикальном
направлении. В результате воздействия луча
на экран <4J на его поверхности возникает
светящееся пягно.
122
ТК-1. 1939 г. Политехнический музей. Москва.
Первый серийный телевизионный приёмник электронного телевидения в СССР,
крышку вмонтировано зеркало для просмотра телевизионного изображения
«смотрящей вверх» трубки кинескопа.
В 1909 г. за достижения в области беспроволочной передачи информации К.
удостоен Нобелевской премии.
В верхнюю
на экране
Браун был
Впервые электронно-лучевую трубку Брауна в 1921 г. использовал российский инженер Борис
Львович Розинг (1869—1933). Передатчиком служило механическое устройство — диск
Нипкова (см. статью «Техника телевидения»). Так родилось телевидение.
В технике приходится иметь дело с физическими величинами, которые могут меняться сотни и
тысячи раз в секунду. Уследить за ними человек не способен. И здесь на помощь пришли
осциллографы (от лат. oscillo — «качаюсь» и греч. «гра'фо» — «пишу») — приборы, умеющие
рисовать с помощью электронного луча. Осциллограф позволяет изучать форму сигнала,
измерять его длительность, амплитуду, частоту следования отдельных импульсов и т. д.
Неэлектрические величины — давление, температура, скорость, ускорение — предварительно
преобразуются в электрическое напряжение. Оно подаётся на отклоняющие пластины
электронно-лучевой трубки и заставляет электронный луч рисовать на экране линии,
воспроизводящие изменения исследуемой величины.
На экран осциллографического прибора обычно наносится сетка с делениями, помогающая
исследователю судить о величине и длительности сигнала.
Создание чисто электронного телевидения оказалось исключительно сложным делом.
Разработать электронно-лучевые трубки для передачи и приёма телевизионного изображения
удалось лишь через три с лишним десятилетия после изобретения Брауна. Автором первых
конструкций передающей трубки — иконоскопа и приёмной трубки — кинескопа стал русский
инженер В. К. Зворыкин.
ЭЛЕКТРОСВЕТОВЫЕ ИНДИКАТОРНЫЕ ПРИБОРЫ
В современной аппаратуре широко применяются различные индикаторы, преобразующие
электрические сигналы в световые — светящиеся цифры, знаки, рисунки на экранах
калькуляторов, компьютеров и т. п.
Для отображения сложной информации — графиков, рисунков, движущихся изображений —
используются газоразрядные индикаторные панели, содержащие большое число
светоизлучающих элементов (газоразрядных ячеек). В пазы стеклянных пластин панели
уложены проволочные катоды и аноды. Пластины разделены изолирующей матрицей с
отверстиями в местах скрещивания катодов и анодов. При подаче напряжения на несколько
катодов и анодов в соответствующих точках панели возникает светящийся разряд,
воспроизводящий заданный рисунок.
Широко распространены так называемые жидкокристаллические экраны и панели. По
конструкции они
Светодиод — полупроводниковый прибор,
преобразующий электрические сигналы в свет.
123
похожи на газоразрядные, но между электродами находится слой органического вещества с
длинными молекулами — жидкий кристалл. При наложении электрического поля молекулы
меняют свою ориентацию и по-другому отражают и пропускают свет, «рисуя» изображение
или текст. Жидкие кристаллы используются в часах и калькуляторах, в экранах портативных
телевизоров и компьютеров.
ФОТОЭЛЕКТРОННЫЕ ПРИБОРЫ
В 1887 г. немецкий физик Генрих Герц (1857—1894) открыл фотоэффект — переход энергии
света в электрическую энергию. В 1888— 1890 гг. фотоэффект обстоятельно изучил русский
учёный Александр Григорьевич Столетов (1839—1896).
ИЗОБРЕТЕНИЕ РАДИО
Появлению устройств для передачи сообщений без проводов (с помощью электромагнитного
излучения) предшествовали долгие годы научных поисков. В 1888 г. немецкий физик Генрих
Рудольф Герц экспериментально доказал существование электромагнитных волн,
распространяющихся в пространстве. В опытах он использовал источник электромагнитного
излучения (вибратор) и удалённый от него приёмный элемент (резонатор), реагировавший на
это излучение. Французский изобретатель Э. Бранли повторил в 1890 г. эксперименты Герца,
применив бо-
Александр Степанович Попов.
лее надёжный элемент для обнаружения электромагнитных волн — радиокондуктор.
Английский учёный О. Лодж усовершенствовал этот приёмный элемент и назвал его когерером
(от лат. cohaereo — «быть связанным»). Когерер представлял собой стеклянную трубку,
наполненную железными опилками. В обычных условиях они плохо проводят электричество.
Но электромагнитная волна, прошедшая сквозь опилки, намагничивает их. Крупинки железа
сцепляются, приобретают хорошую проводимость — и когерер пропускает сигнал. Если трубку
встряхнуть, опилки рассыпаются — сигнал пропадает.
Следующий шаг был сделан замечательным русским учёным и изобретателем Александром
Степановичем Поповым (1859—1905 или 1906). 25 апреля (7 мая) 1895 г. на заседании
Русского физико-химического общества в Санкт-Петербурге он продемонстрировал аппарат
для приёма электромагнитных волн. Прибор Попова имел кроме когерера Бранли — Лоджа
электрический звонок с молоточком, который встряхивал трубку. Это давало возможность
принимать радиосигналы, несущие информацию, — азбуку Морзе. По сути, с приёмника
Попова началась эра создания средств радиотехники, пригодных для практических целей.
Спустя год после опытов А. С. Попова в Лондоне состоялась демонстрация устройства для
передачи и приёма радиосигналов, сделанного итальянским изобретателем Гульельмо Маркони
(1874—1937). По конструкции его приёмник мало чем отличался от прибора Попова. Однако
главной заслугой Маркони оказалось умение поставить дело на коммерческую основу. С целью
привлечения внимания к своей разработке он перебрался из Италии в Англию, где летом 1897
г. основал компанию по изготовлению аппаратуры для беспроволочного телеграфа. Компания
Маркони, располагавшая большими финансовыми возможностями, в скором времени добилась
значительных технических успехов: дальность радиосвязи в 1899 г. была доведена до 100 км, в
1900 г. — до 1000 км, а в 1903 г. достигла
Генрих Рудольф Герц.
124
Вслед за этим появились фотоэлементы — электронные приборы, действие которых основано
на использовании фотоэлектронной эмиссии — выхода электронов из металла под действием
света.
Световой поток, попадая на катод, вызывает фотоэлектронную эмиссию с его поверхности.
Чтобы увеличить выход электронов, катод покрывают соединением сурьмы и цезия.
При замыкании цепи возникает электрический ток, величина которого зависит от
интенсивности светового потока.
Фотоэлементы быстро нашли широкое применение в научных исследованиях, производстве и
быту. Ими оборудуют разнообразные автоматические устройства — турникеты в метро; двери,
открывающиеся перед человеком; блокировочные устройства,
Радиоприёмник Попова. 1895 г. Копия. Политехнический музей. Москва.
10 000 км, что позволяло передавать сообщения с одного континента на другой.
В этот период А. С. Попов работал в Кронштадте, где занимался оснащением кораблей
российского флота средствами беспроводной связи. Под руководством учёного в начале 1900 г.
была сооружена радиостанция на острове Гогланд в Финском заливе. Первый же обмен
радиограммами с этой станцией позволил спасти большую группу рыбаков, унесённых на
льдине в открытое море. Другой операцией, выполненной благодаря изобретению Попова и
получившей широкую известность, стало оказание помощи броненосцу «Генерал-адмирал
Апраксин», севшему на камни.
Начиная с 1900 г. в Кронштадте, а затем Санкт-Петербурге был организован промышленный
выпуск аппаратуры для беспроволочного телеграфа, но по объёму производства Россия
отставала от Англии, Германии и США. Радиостанций не хватало даже для удовлетворения
потребностей Почтово-телеграфного ведомства и Военно-морского флота России, поэтому
приходилось покупать аппаратуру за рубежом.
Ранняя смерть помешала А. С. Попову стать лауреатом Нобелевской премии, которую Комитет
по премиям решил присудить в 1909 г. за наиболее значительные работы в области
радиотехники. Эту престижную премию присудили Маркони и немецкому учёному Карлу
Фердинанду Брауну, создателю осциллографической электронно-лучевой трубки и системы
избирательного приёма радиоволн.
В разработку средств радиотехники на раннем этапе её развития внесли вклад также другие
учёные и изобретатели: француз Э. Дюкрете, американец сербского происхождения Н. Тесла,
англичанин М. Минчин, итальянец А. Риги, индиец Дж. Бос, немцы А. Слаби и Г. Арко.
Гульельмо Маркони пережил многих корифеев радиотехники, в частности А. С. Попова — на
30 лет, а К. Ф. Брауна — на 20. На долю Маркони досталась слава, которой по праву
заслуживали и другие пионеры в этой области науки и техники. В 1934 г. Итальянская
академия наук избрала Маркони своим президентом, а спустя три года изобретателя не стало. В
день похорон Маркони, 21 июля 1937 г., радиостанции всего мира прервали передачи. Так мир
прощался с последним пионером радиотехники.
Г. Маркони на борту корабля «Elettra».
125
ЖИДКИЕ КРИСТАЛЛЫ
Вещества, способные изменять ориентацию молекул под воздействием электрических полей,
открыл в 1888 г. австрийский ботаник Ф. Рейнитцер. Однако, как иногда случается, учёные не
обратили особого внимания на необычные свойства этих жидкостей. Даже после появления в
1904 г. книги «Жидкие кристаллы», написанной О. Леманном, никто не догадался применить
их в технике.
Шло время. Синтезировались всё новые жидкие кристаллы, развивалась теория их строения. Но
только в 1963 г. американец Дж. Фергюсон догадался использовать важнейшее свойство
жидких кристаллов — изменять цвет под воздействием температуры — для обнаружения не
видимых простым глазом тепловых полей. После того как ему выдали патент на изобретение,
интерес к жидким кристаллам резко возрос.
В 1965 г. в США собралась Первая международная конференция, посвящённая жидким
кристаллам. В 1968 г. американские учёные создали принципиально новые индикаторы для
систем отображения информации. Принцип их действия основан на том, что молекулы жидких
кристаллов, поворачиваясь в электрическом поле, по-разному отражают и пропускают свет.
Под воздействием напряжения, которое подавали на проводники, впаянные в экран, на нём
возникало изображение, состоящее из микроскопических точек. И всё же только после 1973 г.,
когда группа английских химиков под руководством Дж. Грея синтезировала жидкие
кристаллы из относительно дешёвого и доступного сырья, эти вещества получили широкое
распространение в разнообразных устройствах.
Теперь, когда известно множество жидкокристаллических веществ, трудно перечислить все
отрасли техники, где они применяются.
Одно из важных направлений использования жидких кристаллов — термография. Подбирая
состав жидкокристаллического вещества, создают индикаторы для разных диапазонов
температур и для различных конструкций. Например, жидкие кристаллы в виде плёнки наносят
на транзисторы, интегральные схемы и печатные платы электронных схем. Неисправные
элементы — сильно нагретые или холодные, неработающие — сразу заметны по ярким
цветовым пятнам. Новые возможности получили врачи: жидкокристаллический индикатор на
коже больного быстро диагностирует скрытое воспаление и даже опухоль.
С помощью жидких кристаллов обнаруживают пары вредных химических соединений и
опасные для здоровья человека гамма- и ультрафиолетовое излучения. На основе жидких
кристаллов созданы измерители давления, детекторы ультразвука. Но самая многообещающая
область применения жидкокристаллических веществ — информационная техника. От первых
индикаторов, знакомых всем по электронным часам, до цветных телевизоров с
жидкокристаллическим экраном размером с почтовую открытку прошло лишь несколько лет.
Такие телевизоры дают изображение весьма высокого качества, потребляя ничтожное
количество энергии от малогабаритного аккумулятора или батарейки.
Схемы) фоюмемени
с кнешнни фотоэффектом.
Ф - световой поток- К — <t
Л — анод:
которые останавливают механизм, предохраняя от травм рабочих, попавших в опасную зону.
Обычному фотоэлементу для срабатывания нужна хорошая освещённость. Однако часто
требуется «поймать» и усилить весьма малые фототоки, например при изучении далёких звёзд
и галактик.
В начале 30-х гг. русский учёный Леонид Александрович Кубецкий (1906—1959) изобрёл
фотоэлектронный умножитель — прибор, предназначенный для усиления слабых фототоков.
В фотоэлектронном умножителе помимо катода и анода имеется система (каскад)
дополнительных электродов. Поток электронов вызывает вторичную эмиссию с этих
электродов, многократно усиливая ток, проходящий через прибор.
Ещё один вид фотоэлектронных приборов — электронно-оптические преобразователи —
позволяет видеть в темноте, например, ночью.
Впервые принцип работы электронно-оптических преобразователей был описан в 1934 г.
голландскими учёными Г. Холстом и Я. Де Буром. Активная разработка таких приборов велась
во время Второй мировой войны — с целью использования их в качестве ночных прицелов, для
управления машинами в темноте (применяют фары инфракрасного излучения) и т. и.
126
ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЕ ПРИБОРЫ
В 50-х гг. XX в. появились полупроводниковые приборы. Они сравнительно просты и весьма
компактны. Взаимодействие электронов с электромагнитными полями происходит здесь не в
вакууме, а в твёрдом теле — кристалле.
Электрические свойства полупроводникового кристалла связаны с существованием в нём двух
областей с разными видами проводимости.
В некоторых кристаллических веществах часть электронов на верхних атомных оболочках
оказываются «лишними». Они уходят, оставляя пустые места — вакансии, или дырки, которые
можно рассматривать как положительные заряды. Если к кристаллу приложить электрическое
напряжение, электроны «побегут» к одному электроду, а дырки — к другому. Через кристалл
пойдёт электрический ток, обусловленный электронно-дырочной, или //-//-проводимостью (от
англ, positiv — «положительный» и negativ — «отрицательный»). Вводя в кристалл
определённые добавки, в нём создают зоны с избытком либо электронов (//-проводимость),
либо дырок (//-проводимость).
На границе этих зон возникает так называемый //-//-переход, воздействуя на который внешним
напряжением можно, например, заставить двигаться только электроны, а дырки «запереть»;
управлять током проводимости, прикладывая слабое переменное напряжение, и т. д.
Иными словами, полупроводниковые приборы способны играть роль диода, триода и более
сложных электронных устройств чрезвычайно малых размеров; могут преобразовывать
световые сигналы в электрические и наоборот (фотодиод; фоторезистор — элемент, меняющий
своё электрическое сопротивление под воздействием света; фототранзистор).
Существуют полупроводниковые приборы — термоэлементы, термоэлектрические генераторы
(вырабатывающие электрическую энергию
при нагревании) — для превращения тепловой энергии в электрическую и наоборот. Эти
приборы можно использовать в качестве пьезоэлектрических датчиков (реагирующих на
изменение атмосферного давления), тензометрических приборов (позволяющих
контролировать механическое смещение) и т. и.
ИНТЕГРАЛЬНЫЕ СХЕМЫ
Дальнейшее развитие и миниатюризация полупроводниковых приборов привели в скором
времени к созданию интегральных схем. В них объединены полупроводниковые диоды,
Кремниевая пластина
диаметром 150 мм
для изготовления
микросхем.
Интегральные схемы.
127
Интегральные микросхемы выпускают в самых разнообразных корпусах.
конденсаторы, резисторы (сопротивления) и соединительные элементы микроскопических
размеров. Все они располагаются на одном полупроводниковом кристалле.
Основным полупроводниковым материалом в настоящее время служит кристаллический
кремний. Находят применение арсенид галлия, фосфид индия и другие полупроводниковые
материалы.
Полупроводниковые приборы и интегральные схемы широко применяются в современных
компьютерах, системах автоматизированного управления и телемеханики, производственном
оборудовании, средствах транспорта, бытовой электронике и т. д.
В мире ежегодно выпускается около 50 млрд, полупроводниковых приборов и примерно такое
же количество интегральных схем.
РАДИОЛОКАЦИЯ В ГОДЫ ВОИНЫ И МИРА
Это случилось вскоре после начала Второй мировой войны. Итальянская морская эскадра,
воспользовавшись ночной темнотой, проходила недалеко от берегов Англии.
Внезапно рядом с головным крейсером раздался оглушительный взрыв артиллерийского
снаряда; за ним последовали новые взрывы. В полной темноте снаряды с удивительной
точностью находили плывущие цели, сея панику и нанося кораблям страшные повреждения. В
этом походе итальянцы потеряли три крейсера и два эсминца. Так Великобритания
продемонстрировала грозную силу нового оружия — радиолокационной системы (РЛС)
наводки артиллерийских орудий.
Не менее успешно англичане использовали радиолокацию для защиты Лондона и других
городов от налётов германской авиации. Войска противовоздушной обороны (ПВО),
оснащённые РЛС, с высокой точностью вели стрельбу по вражеским самолётам. Например, 28
августа 1940 г. немцы предприняли воздушную атаку на Лондон. Из 101 самолёта-снаряда
«Фау-1» (ракетное оружие дальнего действия) до столицы Великобритании долетели лишь
четыре, остальные
Радиолокационная станция ПВО.
Локаторщики проводят плановые работы.
* В 1939-1945 гг. Италия воевала на стороне Германии.
128
были сбиты в пути. Так мир узнал об удивительных возможностях радиолокации — области
радиотехники, предмет которой — обнаружение и распознавание различных объектов на
расстоянии.
В Англии проблему радиолокационного обнаружения самолётов и
КАК РАБОТАЕТ РАДИОЛОКАТОР
Радиолокацией (от лат. radius — «луч» и locatio — «размещение») называется область
радиотехники, которая занимается наблюдением за удалёнными объектами: измерением
скорости передвижения; определением положения в пространстве и других характеристик.
Устройства, применяемые для этих целей, именуют локаторами или радарами. В зависимости
от предназначения они имеют разную конструкцию, но принцип их работы одинаков. Антенна
локатора излучает узкую радиоволну небольшой длительности — радиоимпульс. Встретив на
своём пути препятствие (самолёт, корабль или облако), импульс отражается от него и
возвращается к локатору. Там через приёмную антенну он попадает в усилитель и выводится на
экран в виде «зайчика» — отметки цели.
Ещё в 1886—1889 гг. немецкий физик Г. Р. Герц наблюдал отражение радиоволн от стен и
предметов. Русский учёный А. С. Попов обнаружил в 1897 г. явление «затенения» радиоволн.
Оно заключалось в том, что радиосвязь кораблей нарушалась, если между ними проходило
судно. Немецкий инженер К. Хюльсмайер в 1904 г. подал заявку на способ обнаружения судов
с помощью радиоволн и описал устройство для его осуществления.
В 30-х гг. во многих странах (в СССР, Англии, США, Германии и др.) начались работы по
созданию систем радиолокации. Первые радиолокационные станции (РЛС) для обнаружения
самолётов были установлены на юго-западном побережье Великобритании в 1936 г. В нашей
стране первый локатор построили в 1938 г.
Современные локаторы имеют обычно одну антенну, которая переключается на приём или на
передачу. В режиме поиска цели локатор «обшаривает» (сканирует) лучом пространство в
пределах определённого сектора или описывая полный круг. Для этого антенна РАС
поворачивается вокруг вертикальной оси; если антенна неподвижна, «работает» только луч.
Обнаружив цель, локатор переходит в режим сопровождения цели. Операторы РАС
удерживают «зайчик» на экране в перекрестье, управляя поворотом луча в горизонтальной и
вертикальной плоскостях так, чтобы он всё время «освещал» цель. Координаты цели задаются
датчиками углов поворота антенны (или луча) в горизонтальной и вертикальной плоскостях, а
расстояние до неё измеряется по времени прихода отражённого сигнала. Данные вводятся в
систему управления зенитной ракетой. У ракеты может быть и собственный локатор; он
включается при подлёте к цели, обеспечивая максимальную точность попадания. Локаторы,
предназначенные для сверхдальнего обнаружения самолётов и ракет, подвижных частей не
имеют. Внешне эти сооружения напоминают египетскую пирамиду или часть плотины
гидроэлектростанции высотой 30—40 м. Передняя наклонная грань устройства покрыта
сотнями тысяч небольших излучателей. На каждый из них сигнал подаётся через управляющую
систему, которая в соответствии с программой может задержать его, изменить амплитуду,
частоту и фазу колебания. В результате суммарный сигнал может стать шире или уже,
излучаться не прямо, а вбок или вверх, сканировать пространство с очень большой скоростью.
Такая система называется «фазированная антенная решётка» (ФАР). Локаторы с ФАР
применяются не только в военных, но и в научных целях.
Локатор
129
Параболическая антенна радиотелескопа
крымской обсерватории под Симеизом.
надводных кораблей на расстоянии до 100 км решили к 1939 г. В ходе Второй мировой войны
новую технику продолжали совершенствовать. В США к аналогичным работам приступили
примерно на год позже, чем в Англии, однако к 1939 г. американская промышленность уже
выпускала более совершенные станции обнаружения. На расстоянии 50 км американские
радиолокаторы засекали положение цели с точностью до 20 м.
Германия, в соответствии с гитлеровской доктриной «молниеносной войны», развивала РЛС,
прежде всего для боевых операций на море, уделяя мало внимания системам ПВО. В
дальнейшем это привело к тяжёлым последствиям: многие немецкие города были разрушены
до основания во время налётов союзной авиации.
К началу Великой Отечественной войны Красная армия располагала РЛС для наземного и
бортового (на самолётах и кораблях) использования. Однако эта техника требовала
дальнейшего совершенствования. Значительный вклад в создание новых, более эффективных
систем радиолокации внесли академики А.И. Берг, Н.Д. Девятков, М.А. Леонтович, А.А.
Расплетин, профессора А.М. Кугушев, С.И. Ребров и др.
В послевоенное время радиолокация продолжала развиваться, появились новые области её
применения. Радиолокаторами, например, стали оснащать аэропорты, пассажирские самолёты
и морские суда, что позволяло им уверенно двигаться в условиях темноты, облачности и
тумана. Без радиолокации немыслима современная метеорология: локаторами можно
обнаруживать разнообразные изменения в атмосфере, а значит, прогнозировать возникновение
циклонов, бурь, смерчей и т. и. Радиолокацию стали использовать и в биологии, получая
важные сведения о движении больших стай птиц и скоплений насекомых.
Широкое развитие получила радиолокационная астрономия — область науки, в которой
радиолокационную технику применяют для изучения космического пространства и планет. В
1946 г. де Витт в США и 3. Бай в Венгрии провели опыты по радиолокационному
исследованию Луны. В 1961 г. российские учёные под руководством академика Владимира
Александровича Котельникова (родился в 1908 г.) впервые использовали радиолокацию для
изучения Венеры. Плотный слой облаков вокруг планеты не позволял с помощью телескопов
выяснить, как выглядит её поверхность, каков период вращения вокруг собственной оси и т. п.
Методами радиолокации установили, например, что поверхность Венеры изобилует кратерами,
на ней есть горы высотой до 10 000 м, а сутки там почти в 59 раз длиннее земных.
Уточнённые карты поверхности Венеры были составлены в 1984 г., после того как на Землю
пришли данные радиолокационных измерений, выполненных с помощью советских
космических аппаратов «Венера-15» и «Венера-16».
Существует научный проект, согласно которому в XXI в. начнёт работать Галактическая
радиолокационная система. Космические корабли, оснащённые совершенными РЛС, смогут
удаляться от Земли на огромные расстояния, а учёные будут получать новую информацию о
космических объектах, находящихся за пределами Солнечной системы.
130
ЛАЗЕРНАЯ ТЕХНИКА И ТЕХНОЛОГИЯ
Как унести в кармане 30 томов Большой советской энциклопедии или весь Энциклопедический
словарь Брокгауза и Ефрона? Как измерить расстояние до Луны с точностью до сантиметра?
Как в долю секунды пробить отверстие в алмазе, сделать операцию на глазном дне и сбить на
лету баллистическую ракету?
Ответ один: это можно сделать при помощи лазера — удивительного изобретения XX столетия.
Лазерная техника ещё очень молода — ей нет и полувека. Однако за это совсем небольшое
время лазер из любопытного лабораторного устройства превратился в средство научного
исследования, в инструмент, применяемый в промышленности. Трудно найти такую область
современной техники, где бы не работали лазеры. Их излучение используется для связи, записи
и чтения информации, для точных измерений; они незаменимы в медицине — хирургии и
терапии. Многие учёные считают, что кардинальные изменения, которые лазер внёс в жизнь
человека, подобны последствиям промышленного применения электричества в конце XIX в.
Огромные возможности лазерной технологии объясняются особыми свойствами лазерного
излучения. Его природу изучает квантовая механика. Именно её законы описывают процессы,
происходящие в лазере, поэтому его называют также оптическим квантовым генератором.
КАК РАБОТАЕТ ЛАЗЕР
Свет — это поток испускаемых атомами особых частиц — фотонов, или квантов
электромагнитного излучения. Их следует представлять себе в виде отрезков волны, а не как
частицы вещества. Каждый фотон несёт строго определённую порцию энергии,
«выброшенную» атомом. Но чтобы атом мог излучать энергию, он должен иметь некоторый её
запас.
Когда энергия атома минимальна, говорят, что он находится на низшем, или стабильном,
энергетическом уровне. Все остальные его уровни называются возбуждёнными. В стабильном
состоянии атом может существовать неограниченно долго, а с возбуждённого уровня стремится
«упасть», отдав энергию. При переходе с высокого уровня на более низкий атом и излучает
фотон.
На любом возбуждённом энергетическом уровне атом находится какое-то время. Потом он
обязательно самопроизвольно возвращается в стабильное состояние, излучив фотон. Но если
этот срок достаточно велик (по атомным масштабам), может сработать другой механизм
излучения. Атом тогда «соскочит» с верхнего уровня на нижний под влиянием пролетающего
мимо фотона. Нужно только, чтобы энергия фотона была равна разности энергий атомных
уровней.
Вызвавший излучение и излучённый фотоны абсолютно идентичны, их частоты равны и фазы
одинаковы. Когда они встретятся с двумя возбуждёнными атомами, фотонов станет 4. Потом 8,
16 и т. д. Возникнет лавина неотличимых друг от друга фотонов,
Установка лазерного сканирования кремниевых пластин для выявления поверхностных
дефектов.
*Баллистическая (от грен, «ба'лло» — «бросаю») ракета после выключения двигателей
совершает полёт по траектории свободно брошенного тела под действием только силы тяжести.
**Лазер — сокращение от англ. Light Amplication by Stimulated Emission of Radiation -
«усиление света в результате вынужденного излучения».
131
образующих так называемое монохроматическое (одноцветное) когерентное излучение. Это
вынужденное излучение обладает целым рядом интересных свойств.
ТРИ ОСОБЕННОСТИ И ТРИ ОСНОВНЫХ СВОЙСТВА ЛАЗЕРНОГО СВЕТА
Во-первых, лазерное излучение имеет очень высокую температуру. Её величина зависит от
мощности излучения и достигает порой миллионов градусов.
Во-вторых, лазер излучает энергию на одной частоте, на одной длине волны. Раньше такое
монохроматическое излучение получали только в диапазоне радиоволн. Свет, испускаемый
даже очень маленьким кусочком раскалённого вещества, всегда состоит из волн самой разной
частоты. По этой причине в оптике никак
не удавалось, например, создать узконаправленные и сфокусированные пучки излучения,
которыми радиоинженеры пользуются уже не один десяток лет.
В-третьих, лазерное излучение очень стабильно. Электромагнитная волна, которую генерирует
лазер, распространяется на многие километры не изменяясь. Её амплитуда, частота и фаза
могут оставаться постоянными очень долго. Это качество называется высокой
пространственной и временной когерентностью.
Все три особенности лазерного излучения нашли применение в самых разных отраслях
техники, при решении различных технологических задач. Для каждого случая можно подобрать
лазер нужного типа и требуемой мощности.
РОЖДЕНИЕ СЕМЕЙСТВА ЛАЗЕРОВ
Как получить когерентное излучение, стало в общих чертах понятно в 1918 г., когда Альберт
Эйнштейн предсказал явление вынужденного излучения. Если создать среду, в которой атомы
находятся в возбуждённом состоянии, и «запустить» в неё слабый поток когерентных фотонов,
то его интенсивность станет расти. Оставалась «самая малость»: придумать, как такую среду
«сделать». На это ушло более 30 лет.
В начале 50-х гг. российские исследователи Николай Геннадьевич Басов (родился в 1922 г.),
Александр Михайлович Прохоров (родился в 1916 г.) и независимо от них американский физик
Чарлз Хард Таунс (родился в 1915 г.) создали усилитель радиоволн высокой частоты на
молекулах аммиака.
Нужные для работы возбуждённые молекулы отбирало из потока газа электрическое поле
сложной конфигурации. Новорождённое устройство получило название «мазер».
В I960 г. американский физик Теодор Гарольд Мейман сконструировал первый квантовый
генератор оптиче-
Макет мазера. 1954 г. Политехнический музей. Москва.
*Если разность фаз двух колебаний постоянна, такие колебания называются когерентными (от
лат. cohaerens — «находящийся в связи»),
**Аммиак — газообразное вещество, состоящее из атома азота и трёх атомов водорода (NH3).
***Мазер — сокращение от англ. Microwave .Amplication by Stimulated Emission of Radiation —
«усиление микроволн в результате вынужденного излучения».
132
ского диапазона — лазер. Усиление света происходило в кристалле рубина — прозрачной
разновидности окиси алюминия с небольшой примесью хрома (на этот материал указали тремя
годами раньше Н. Г. Басов и А.М. Прохоров). В лазере использовался охлаждаемый жидким
азотом рубиновый стержень длиной около 4 см и диаметром 5 мм. Посеребрённые торцы
стержня служили зеркалами, одно из которых было полупрозрачным. Энергию в кристалл
«накачивала» мощная импульсная лампа. Поток фотонов высокой энергии переводил атомы
хрома в возбуждённое состояние. На одном из высокоэнергетических уровней атомы
задерживаются в среднем на 0,003 с — время по атомным масштабам огромное. За этот период
часть атомов успевает самопроизвольно излучить фотоны. Их поток, многократно пробегая
между зеркалами, заставляет все возбуждённые атомы излучать кванты света. В результате
рождается световая вспышка — лазерный импульс мощностью в десятки тысяч ватт. Сегодня
лазерные стержни изготовляют из различных материалов, но чаще всего из рубина, граната и
стекла с примесью редкого металла — неодима. Некоторые твердотельные лазеры (например,
на гранате) генерируют сотни и тысячи импульсов в секунду.
В том же, I960 г. американские физики А. Джаван, В. Беннет и Д. Эрриот создали газовый
лазер, работающий на смеси гелия и неона. Этот лазер излучал красный свет уже не
импульсами, а непрерывно. Смесь газов оказалась настолько хорошо подобранной, что
гелиево-неоновые лазеры до сих пор остаются самыми распространёнными источниками
когерентного света, хотя излучения удалось добиться и от множества других газов и паров.
Энергию в газовую смесь «накачивает» тлеющий электрический разряд. Цвет луча зависит от
состава газа или пара, на котором лазер работает. Аргон, например, даёт синий свет, криптон —
жёлтый, ксенон и пары меди — зелёный, углекислый газ и пары воды — невидимые тепловые
(инфракрасные) лучи.
Принципиальная схема рубинового лазера.
1 — рубиноный стержень: 2 — поджигающий электрод; ) — импульсная лампа;
4 — излучение.
К семейству газовых лазеров можно отнести и квантовые генераторы, в которых возбуждённые
молекулы не «готовятся» заранее, а появляются непосредственно в момент излучения. Это так
называемые газодинамические и химические лазеры, развивающие колоссальную мощность —
в сотни киловатт и даже десятки мегаватт — в непрерывном режиме. Однако они
Лазер Л-1. 1963 г. Политехнический музей. Москва.
* Газовая динамика — наука о процессах в потоках газа, движущихся со сверхзвуковой
скоростью.
133
очень сложны, громоздки и выглядят скорее как небольшой завод, а не как оптическое
устройство.
Газодинамический лазер напоминает реактивный двигатель. Молекулы сильно нагретого газа,
вылетающие из него, отдают энергию в виде светового излучения. В химическом лазере
возбуждённые молекулы возникают в результате химической реакции. Самая «энергичная» из
них — соединение атомарного фтора с водородом.
Непрерывное излучение дают и жидкостные лазеры. Рабочим веществом для них служат,
например, растворы солей неодима и соединений анилина. Поскольку соединения анилина
используются для окраски тканей, генераторы на их основе называют лазерами на красителях.
Для более стабильной работы лазера жидкость можно пропускать через холодильник.
Самые миниатюрные лазеры — полупроводниковые: в спичечный коробок их можно
поместить несколько десятков, а объём вещества, в котором происходит вынужденное
излучение, не превышает тысячных долей кубического миллиметра. Энергию в полупроводник
«накачивает» электрический ток. Больше половины его «превращается» в свет, т. е.
коэффициент полезного действия этих лазеров может достигать более чем 50%.
СВЕТ, МЕТАЛЛ И АЛМАЗ
Мощные лазеры (газодинамические и газовые) оказались незаменимыми при термической
обработке металлов. Лазерный луч в доли секунды нагревает тонкий верхний слой, например,
изделия из стали. При охлаждении оно как бы одевается в твёрдую закалённую «скорлупу»,
устойчивую к износу; сердцевина же остаётся вязкой и упругой. То есть сильно повышается
прочность изделия, его стойкость к ударам и истиранию. Поэтому лазерной закалке подвергают
детали, испытывающие высокие нагрузки, — оси железнодорожных колёс, зубья шестерёнок,
распределительные валы двигателей внутреннего сгорания.
Сфокусированным лазерным лучом режут толстую листовую сталь, раскраивают ткани на
текстильных фабриках. Разрез получается очень тонким. А потому выкройки деталей можно
размещать на полотне более плотно и тем самым экономить материал. Световым лучом
сваривают детали, причём из материалов, не поддающихся сварке другими способами, —
например, из металла и керамики или стекла.
Лазерным лучом сверлят, точнее, мгновенно пробивают отверстия любой формы в самых
прочных материалах. Всем известна, например, лампочка накаливания. Главная её деталь —
тонкая вольфрамовая проволока, свёрнутая в спираль. Изготовляют её способом волочения:
протаскивают заготовку через фильеры (от фр. filie're, от fil — «волокно», «нить») —
сужающиеся отверстия. Вольфрам — металл очень твёрдый, поэтому фильеры сверлят в
алмазе. Операция эта сложная, длительная и дорогая: алмаз сверлят только алмазом, и
обработке он поддаётся очень медленно. Лазерная вспышка пробивает в минерале отверстие за
считанные секунды. А излучение фокусируют так, что фильера сразу получается нужной
формы и диаметра.
Интересно, что лазерным излучением алмаз можно не только «испортить», пробив в нём дырку,
но и улучшить. Посторонние включения
Лазерные станки для шлифовки дорожки качения в кольцах
сверхмалых подшипников.
134
внутри крупного ювелирного камня не позволяют огранить последний в дорогой бриллиант,
поскольку нарушают его «игру». Чтобы убрать дефекты, алмаз раньше распиливали на части.
Сегодня лазерным лучом, сфокусированным в тонкую нить, включения выжигают и испаряют
через пробитый микроскопический канал. После такой «косметической операции» отверстие
заполняют прозрачным пластиком, и оно становится совершенно незаметным.
В хороших механических часах стоят детали, изготовить которые без лазерной технологии
очень нелегко. Это так называемые часовые камни — подшипники, на которые опираются оси
шестерёнок. В каждом часовом механизме камней (миниатюрных шайбочек из синтетического
корунда) не меньше десятка. Корунд по твёрдости почти не уступает алмазу, но лазерный
станок пробивает в нём отверстие заданной формы меньше чем за секунду.
ИГЛА И СКАЛЬПЕЛЬ
Незаменим лазер и в хирургии. Световой луч, разрезая кровеносные сосуды, одновременно
«заваривает» их, останавливая кровотечение. Разрез получается тонкий и чистый, лазер
травмирует живую ткань гораздо меньше, чем скальпель, причём снижается опасность
инфицирования раны. Более того, с помощью лазерного луча проводят операции, которые
невозможно сделать другим инструментом. В первую очередь это операции на глазах.
Лазерный «скальпель» — световой луч, сфокусированный на сетчатке (тонком слое
светочувствительных клеток, выстилающих изнутри глазное дно), вводят в глаз прямо через
зрачок. Меняя длительность импульса и его энергию, аккуратно «приваривают» отслоившуюся
сетчатку или отрезают больные сосуды, не давая им разрастаться. Цвет излучения играет
существенную роль в лазерной хирургии. Например, кровь пропускает красный свет, а
поглощает синий
Лазерный перфоратор «Эрмед-303»
для бесконтактного взятия проб крови.
и зелёный. Поэтому рубиновый или гелиево-неоновый лазер для «заваривания» сосудов не
годится. Зато синий луч аргонового лазера мгновенно вызовет свёртывание крови, и её сгусток
«запечатает» сосуд. Но красный луч можно пропустить сквозь сеть капилляров, сфокусировать
на опухоли и разрушить её. Кровеносные сосуды останутся неповреждёнными.
Демонстрация российского лазерного скальпеля «Ланцет-1».
*Корунд — прозрачная разновидность окиси алюминия.
135
Первый отечественный лазерный аппарат «Мелаз-СТ», применяющийся в стоматологии.
На теле человека имеется множество точек, раздражая которые стимулируют или «тормозят»
работу внутренних органов. Раньше на эти точки воздействовали, вводя в них тонкие иглы. А
сегодня с той же целью применяют лазерное излучение.
Когерентный свет сильно влияет на живые организмы. Например, обработка семян лазерным
излучением повышает их всхожесть. Растения лучше растут и развиваются, более устойчивы к
болезням, легче переносят похолодания и засуху.
Даже слабый когерентный свет, по-видимому, способен вызывать мутации (от лат. mutatio —
«изменение», «перемена») — стойкие и не всегда благоприятные для организма изменения
наследственности. Поэтому даже маломощные лазеры снабжают табличками: «Осторожно!
Лазерное излучение!».
ЛУЧ, КОТОРЫЙ СВЯЗАЛ КОНТИНЕНТЫ
Когерентное излучение в диапазоне радиоволн научились получать более 100 лет назад.
Довольно быстро установили: чем короче длина волны передатчика, тем больше станций может
работать одновременно, не мешая друг другу. Уже освоены диапазоны дециметровых и
сантиметровых волн, но в эфире всё равно «очень тесно».
Свет — тоже электромагнитное излучение, как и радиоволны, но с длиной волны в
стотысячные доли сантиметра. Поэтому световая связь оказывается в сотни тысяч раз
«плотнее»: такие каналы занимают лишь малые участки диапазона. И как только появился
источник когерентного света — непрерывный луч лазера, его тут же постарались приспособить
для телефонной связи.
Первую оптическую линию связи в нашей стране «проложили» между Ленинским районом
Москвы и подмосковным городом Красногорском. Лазер стоял на одной из башен Московского
государственного университета на Ленинских (Воробьёвых) горах — в то время самой высокой
точке в столице. Связь была не очень надёжной: она работала исправно только в хорошую
погоду. Снегопад, дождь и туман «гасили» луч. Поэтому сегодня везде, где можно, оптическую
связь ведут не по открытому лучу, а по световодам — тонким стеклянным нитям, собранным в
жгуты.
Световой луч, попадая в световод через его торец, распространяется по стеклянному волокну,
не выходя наружу. По световоду, как угодно изогнутому и даже свёрнутому, луч послушно
следует, не теряя яркости до самого конца волокна. В наши дни оптические волокна
объединили весь мир. По дну океанов проложены оптические кабели из стекла более
прозрачного, чем самый чистый воздух. В ближайшем будущем на оптоволоконную связь
полностью перейдёт Москва. Новая сеть обеспечит бесперебойную телефонную и факсимилъ-
*Факсимильная (от лат. fac simile — «сделай подобное») связь (фототелеграфическая связь) —
электрический способ передачи графической информации (неподвижного изображения текста
или чертежей, фотографий и т. и.).
136
ную связь по многим каналам одновременно через один кабель, соединит персональные
компьютеры линиями электронной почты, позволит всем желающим войти в Интернет. Места в
сети хватит и дозвониться можно будет куда и когда угодно.
ЭНЦИКЛОПЕДИЯ В КАРМАНЕ
Современные компьютеры записывают информацию на магнитных дисках и дискетах.
Стандартная дискета диаметром 3,5 дюйма (8,89 см) вмещает 700 страниц машинописного
текста — целую книгу. Немало, конечно, но и такого объёма памяти часто не хватает. А потому
в компьютерной технике одновременно используется лазерный способ записи информации —
си-ди-ро'м (CD-ROM). Лазерный луч, сфокусированный в точку, оставляет на поверхности
диска микроскопические метки, которые считывает оптическая система компьютера. Лазерный
диск переливается всеми цветами радуги: свет, по-разному отражаясь от чистой поверхности
диска и от меток на нём, разлагается в спектр. На лазерном диске диаметром 5 дюймов (12,7
см) можно поместить текст 30 томов Большой советской энциклопедии и всех её ежегодников!
Но это не предел: уже появились диски, ёмкость которых раз в десять выше. Один такой диск
способен заменить библиотеку, состоящую из нескольких тысяч книг. Лазерные диски
универсальны: на них записывают музыку, репродукции картин и даже кинофильмы.
Современный компьютер считывает оптический сигнал с лазерного диска и превращает его в
электрические импульсы. В недалёком будущем электронно-вычислительная техника, видимо,
целиком перейдёт на оптический способ записи и передачи информации. (Как тогда будут
называться ЭВМ? Наверное, ОВМ.) Вместо проводов в них будут оптические волокна, вместо
микросхем и электронных приборов — миниатюрные полупроводниковые лазеры. Благодаря
оптической технике уменьшатся размеры и повысится быстродействие аппаратуры. Будут
созданы и карманные компьютеры с фантастическим объёмом памяти.
ЛИНЕЙКА ДЛИНОЙ
400 ТЫСЯЧ КИЛОМЕТРОВ
Луч в световоде можно буквально завязать в узел. В воздухе же он распространяется строго по
прямой и служит идеальной линейкой для измерения больших расстояний. Лазерные
теодолиты применяются на больших стройках, при составлении топографических карт и
планов, при прокладке дорог. Аналогичным устройством можно определять расстояния с
точностью до нескольких миллиметров. Но, видимо, непревзойдённым рекордом до сих пор
остаётся измерение расстояния от Земли до Луны с точностью до нескольких
Испытания сверхточного лазерного интерферометра
для контроля формы оптической поверхности.
*Теодолит — инструмент для измерения на местности горизонтальных и вертикальных углов.
С помощью теодолита и линейки измеряют и расстояния.
**Топографические (от греч. «то'пос» — «место» и «гра'фо» — «пишу») карты — подробные,
единые по содержанию и оформлению географические карты, отображающие основные
природные и социально-экономические объекты (рельеф, растительность, населённые пункты,
дороги, хозяйственные объекты и т. п.).
137
сантиметров, а это около 400 тыс. километров! Лазерный импульс, пропущенный через оптику
телескопа, отразился от системы призм, установленных на «Луноходе-2», и вновь вернулся в
исходную точку. С ещё большей точностью лазерные системы следят за изменением
расстояний между земными материками. Континенты «ползут», увлекаемые течением
расплавленных недр планеты. Их движение вызывает извержение вулканов и землетрясения,
прогнозировать которые и позволяет лазерная техника.
ЛУЧ — ОРУЖИЕ
Уникальные свойства лазера сразу же привлекли внимание военных. Мощный световой луч
можно использовать как оружие невиданной дальности и точности поражения. Есть у него
лишь один, правда существенный, недостаток: в земной атмосфере свет сильно поглощается
пылью, дымом и туманом. Поэтому особенно заманчивыми были перспективы применения
боевых лазеров в космическом пространстве для уничтожения баллистических ракет и их
боеголовок.
Мощный лазерный луч способен поражать космические цели, удалённые на тысячи
километров. Свет преодолевает это расстояние за сотые доли секунды, и никакая автоматика не
успевает среагировать на выстрел, вывести ракету из-под удара. Поскольку свет
распространяется по прямой, для наведения лазерного оружия на цель не требуется сложных
расчётов. Однако, чтобы разрушить корпус ракеты или систему её управления, требуется
мощность излучения в десятки миллионов ватт. Её, по мнению исследователей, могут
обеспечить химические, газовые и рентгеновские лазеры.
Химические лазеры, работающие на фтористом водороде, сравнительно невелики; их могут
нести боевые спутники. Мощность непрерывного излучения таких лазеров достигает
миллионов ватт, но для надёжного поражения цели этого явно мало. А потому планировалось
использовать лучи сразу нескольких лазеров, управляемых быстродействующей системой
наведения.
Гораздо более мощное излучение дают лазеры, в которых используют соединения инертных
газов — фтористый аргон, фтористый и хлористый ксенон и некоторые другие. Эти лазеры
«выстреливают» импульсы когерентного света в ультрафиолетовом диапазоне. Возбуждают
газовую смесь высоковольтным электрическим разрядом, пучком нейтронов из ядерного
реактора или небольшим атомным взрывом. Лазер с подобной системой «накачки» вывести в
космос нельзя. Его пришлось бы строить на Земле, а лазерный луч направлять на цель при
помощи системы спутников с наводящими и фокусирующими зеркалами.
В начале 80-х гг. был испытан рентгеновский лазер с «накачкой» от ядерного взрыва.
Сообщалось, что при длительности импульса 10'9 с его энергия составила около 100 тыс.
джоулей. Это соответствует мощности импульса 1014 Вт, или 100 ТВт. Рентгеновский лазер
сравнительно лёгок и компактен, и его можно вывести на орбиту спутника.
Рабочее вещество рентгеновского лазера — длинные цинковые стержни диаметром в доли
миллиметра, размещённые вокруг ядерного заря-
Настройка сверхмощного лазера. Институт лазерной физики Сибирского отделения
Российской академии наук. Новосибирск. 1998 г.
*«Луноход-2» — автоматический, управляемый с Земли самоходный аппарат, запущенный в
Советском Союзе в 1975 г. на Луну для работы и передвижения по спутнику нашей планеты.
**Нейтрон (от лат. neuter — «ни тот ни другой») — нейтральная элементарная частица.
***ТВт — тераватт. Тера... (от греч. «те'рас» — «чудовище») — приставка для образования
наименований величин, кратных 1012. 1 ТВт = 1012 Вт.
138
да. При его взрыве цинк мгновенно испаряется и превращается в горячую, сильно
возбуждённую плазму.
Всё происходит настолько быстро, что импульс вынужденного рентгеновского излучения
возникает, когда плазменный жгут успевает «распухнуть» только до 1,5 мм. В следующее
мгновение спутник, выполнивший свою задачу, погибает в пламени взрыва.
Весь этот комплекс лазерного и другого оружия, размещённого на Земле и в космосе,
разрабатывался, чтобы обезопасить страну от внезапного нападения. Однако шли годы, были
подписаны договоры о сокращении стратегических вооружений. Стало ясно, что никто никого
забрасывать ядерными зарядами не собирается. Огромная и невероятно дорогая система
противоракетной лазерной обороны оказалась ненужной.
ЧТО БУДЕТ ДАЛЬШЕ?
Много лет назад, когда только-только появились первые лазеры, собранные исследователями в
своих лабораториях, было трудно предугадать, где и как эти приборы станут применяться.
Очевидным являлось одно: лазеру уготовано большое будущее, это целая техническая эпоха.
Сегодня без преувеличения можно считать, что мы живём именно в эпоху лазера. И по-
прежнему трудно предугадать, чем станет лазерная техника в XXI столетии.
ПИОНЕРЫ РАКЕТНО-КОСМИЧЕСКОЙ ТЕХНИКИ
«Планета есть колыбель разума, но нельзя вечно жить в колыбели... Человечество не останется
вечно на Земле, но, в погоне за светом и пространством, сначала робко проникнет за пределы
атмосферы, а затем завоюет себе всё околосолнечное пространство». Эти слова принадлежат
великому мечтателю и замечательному русскому учёному Константину Эдуардовичу
Циолковскому (1857—1935). Он никогда не строил и не запускал ракет, но его
фундаментальный вклад в создание науки о полётах в космос признан во всём мире.
В 1895 г. Циолковский опубликовал книгу «Грёзы о Земле и небе и эффекты всемирного
тяготения», в которой утверждал, что можно создать искусственный спутник. «Воображаемый
спутник Земли, — писал учёный, — вроде Луны, но произвольно близкий к нашей планете,
лишь вне пределов её атмосферы, значит, — вёрст за 300 от земной поверхности, —
представит, при очень малой массе, пример среды, свободной от тяжести».
Циолковский предложил использовать в ракетах жидкое топливо, более выгодное по
сравнению с твёрдым; разработал теорию многоступенчатых ракет, или «ракетных поездов», в
которых отработавшие ракетные ступени отбрасываются во время полёта.
Константин Эдуардович Циолковский. Фотография. 30-е гг. XX в.
*Плазма — ионизированный газ, в котором концентрации положительных и отрицательных
зарядов равны.
139
Фридрих Артурович Цандер. Сергей Павлович Королёв.
Именно Циолковский научно обосновал возможность орбитальных полётов и создания
искусственных космических станций, сформулировал принципы функционирования систем
жизнеобеспечения межпланетного корабля. Многие идеи и проекты учёного воплотились в
жизнь, стали реалиями XX столетия.
Ракета, в отличие от самолёта, может летать за пределами земной атмосферы: для движения ей
не нужен воздух. В соответствии с третьим законом Ньютона ракета будет перемещаться в
сторону, противоположную направлению истечения газов, и в космическом пространстве.
Впервые доказал это на практике американский профессор Роберт Годдард (1882—1945). В
1912 г. он провёл любопытный опыт: поместил ракету в большой стеклянный сосуд, из
которого затем был выкачан воздух. Через 14 лет, 16 марта 1926 г., в американском городе
Обурн Годдард осуществил успешный запуск первой в мире ракеты с жидкостным ракетным
двигателем (ЖРД). Ракета поднялась на высоту 12,5 м, пролетев 56 м за 2,5 с.
Исследования Р. Годдарда натолкнули немецкого изобретателя Макса Валье (1895—1930) на
мысль использовать ракетный двигатель в качестве автомобильного. Двигатель, топливом для
которого служила смесь этилового спирта и жидкого кислорода, вмонтировали в автомобиль
марки «Рак-7». Испытания прошли в апреле 1930 г. на аэродроме Темпельхоф в Берлине.
Машина двигалась с большим шумом, оставляя за собой шлейф пепельно-красного дыма —
продукт неполного сгорания топлива. Опыты с автомобилем-ракетой закончились трагически.
В мае 1930 г. во время испытательного пробега двигатель взорвался, а сидевший за рулём
Валье погиб.
Работы в области ракетной техники велись и в СССР. В 1931 г. в Москве начала действовать
Группа изучения реактивного движения (ГИРД). Она объединила энтузиастов, ставших
впоследствии ведущими конструкторами страны. В частности, у истоков ГИРДа стояли
Фридрих Артурович Цандер (1887—1933) и Сергей Павлович Королёв (1906 или 1907— 1966).
С момента основания Группа установила тесную связь с К. Э. Циолковским, оказавшим
большое влияние на её деятельность.
Ф. А. Цандер занимался теорией реактивного движения, построил жидкостные ракетные
двигатели ОР-1 и ОР-2. Через несколько лет усовершенствованный ОР-2 поставили на
баллистическую и крылатую ракеты. Преждевременная смерть помешала учёному осуществить
задуманные проекты, тем не менее, его вклад в разработку элементов будущих ракетных
систем весьма существен.
В Ленинграде подобные исследования проводились в Газодинамической лаборатории (ГДЛ). В
1929 г. заведующий отделением ГДЛ Валентин Петрович Глушко (1908—1989) изобрёл первый
в мире электротермический ракетный двигатель, реактивную тягу в котором создавала струя
газа, нагретого до высокой температуры электрическим током. Однако такой двигатель не мог
вывести космический аппарат за пределы атмосферы, поэтому дальнейшие усилия группа под
руководством Глушко сосредоточила на проектах ЖРД. В 1931 г. появился жидкостный
ракетный двигатель ОРМ-1, работавший на смеси горючего (бензина или толуола) с
окислителем (четырёхокисью азота), а в 1933 г. — усовершенствованный двигатель
жидкостного типа ОРМ-52. Его можно было установить не только на ракете, но также на
истребителе И-4 (как дополнительный мотор) и на морской торпеде.
Развитию ракетостроения в Германии способствовали исследования профессора физики и
математики Германа Оберта (1894—1989). Он обосновал возможность применения ракет в
верхних слоях атмосферы, предложил использовать в двигателях различные топливные
комбинации. Идеи Оберта заинтересовали многих учёных, и в 1927 г. группа энтузиастов
основала в Германии Общество межпланетных сообщений. В 1930 г. под руководством Г.
Оберта был создан
140
ракетный двигатель «Кегельдюзе», работавший на бензине и жидком кислороде, и построена
ракета «Мирак» с этим двигателем. Испытания на берлинском полигоне Рейникендорф
показали, что конструкция двигателя взрывоопасна и требует дальнейшей доработки. Тогда
Оберт с помощниками построил новую, более надёжную ракету «Репульсор». Она поднималась
на высоту порядка 1500 м.
В начале 30-х гг. деятельность энтузиастов перестала получать поддержку. Во-первых, в это
время Германия переживала экономический кризис, а во-вторых, опыты с ракетами вызывали
протесты жителей кварталов, прилегавших к полигону. В 1934 г. Общество межпланетных
сообщений прекратило существование, но его разработками заинтересовались военные.
В 1933 г. при Управлении вооружений было организовано специальное подразделение по
ракетной технике. Его сотрудник Вернер фон Браун (1912—1977) стал впоследствии ведущим
конструктором Германии, а с 1945 г. — США. В 1934 г. на острове Беркум в Северном море
под руководством фон Брауна проводились испытания ракет А-2, летавших на смеси жидкого
кислорода и спирта; они достигали высоты 1500—2000 м.
Очень скоро все работы над ракетами с ЖРД были засекречены, и начались целенаправленные
исследования в интересах армии. На Балтийском побережье Германии, в местечке Пенемюнде,
в 1937 г. построили крупный ракетный исследовательский центр.
По заданию Управления вооружений группа фон Брауна в 1942 г. создала крупную ракету А-4,
известную во всём мире как V-2 («Фау-2»), Ракета была способна доставлять боевую головку
массой 1 т на расстояние до 275 км. В сентябре 1944 г. гитлеровские войска применили «Фау-
2» для массированной бомбардировки Лондона. «Оружие возмездия», как называли ракету
немецкие военные, не смогло спасти фашистскую Германию от поражения во Второй мировой
войне. Профессор фон Браун переехал в США, где продолжил свои исследования.
Выдающийся конструктор и учёный С. П. Королёв стал в СССР ведущим специалистом в
области ракетной техники ещё до Второй мировой войны. 17 августа 1933 г. под его
руководством в районе подмосковного посёлка Нахабино была успешно запущена ракета
ГИРД-09, работавшая на смеси жидкого кислорода и отверждённого бензина. Этот аппарат
достиг высоты около 400 м. Спустя три года Королёв спроектировал ракетопланёр,
поднимавшийся в воздух с помощью самолёта-буксировщика. Первый полёт состоялся 28
февраля 1940 г.; включение ЖРД производилось на высоте 2600 м.
Менее чем через два десятилетия, 4 октября 1957 г., с помощью межконтинентальной
баллистической ракеты Р-7, разработанной конструкторским бюро С. П. Королёва, был
осуществлён запуск первого в мире искусственного спутника Земли. Так была открыта
космическая эра в истории человечества.
Вернер фон Браун.
Модель ракеты ГИРД-09. Макет. Политехнический музей. Москва.
141
ТЕХНИКА И НАУКА
ЧТО ТАКОЕ ФУНДАМЕНТАЛЬНЫЕ И ПРИКЛАДНЫЕ НАУКИ
У замечательной русской писательницы Тэффи есть рассказ «Лень», в котором абсолютно
серьёзно доказывается, что технику всегда изобретали те, кто не хотел работать. «Когда был
придуман паровой двигатель, это был светлый праздник лентяев всех стран... Когда изобрели
электрические двигатели, лентяи устроили вокруг них целую вакханалию... Лень овладела всем
земным шаром. Затянули землю рельсами (лень ходить), телеграфными проводами (лень
писать), наставили антенны для беспроволочного телеграфа (лень проволоку тянуть)... Именно
она движет человечество по пути прогресса».
В этой шутке есть доля истины. Действительно, технику человек создаёт, чтобы легче было
жить и работать, чтобы оставалось больше сил и свободного времени. Но лентяй ничего
путного изобрести не сможет. Пожелай он сконструировать какое-то надёжное и эффективное
устройство — и окажется, что нужно знать механику, теорию машин и механизмов,
сопротивление материалов и множество других вещей, относящихся к области так называемых
прикладных наук. Науки эти возникают и развиваются по велению времени, когда в них
возникает нужда, — например, в промышленности.
Совершенствовать паровую машину нельзя было без исследований в об-
«Лень — двигатель прогресса». Английская гравюра. 1880 г.
142
ласти термодинамики, кинетической теории газов, теории горения и др. С появлением источников
тока начали бурно развиваться теории электричества и магнетизма. Вслед за ними возникла
совершенно новая наука — электродинамика, без которой невозможны радиосвязь и телевидение.
Но прежде чем стать прикладными разделами науки, все эти области физики сначала были
предметом «бескорыстных» исследований, практической пользы не имевших. Требовалось их
основательно изучить, понять. Не всегда учёный приступает к работе из-за практической
необходимости. Если исследования могут привести к новым открытиям, тогда главный интерес
представляют не технические задачи, а общие вопросы, причины
СТЕПАН ТИМОШЕНКО
Разработка сложных машин и механизмов невозможна без прикладной механики — науки,
использующей для решения технических задач достижения математики и теоретической механики.
Один из главных разделов прикладной механики — теория деформаций и сопротивления
материалов, объясняющая процессы, которые происходят в деталях технических конструкций при
их работе. Значительный вклад в развитие теории сопротивления материалов внесли русские
учёные и инженеры М.В. Остроградский, Д.И. Журавский, В.Л. Кирпичёв, А.Н. Крылов и др.
К этой группе замечательных учёных принадлежал и Степан Прокофьевич Тимошенко (1878—
1972). В 1901 г. он окончил Петербургский институт инженеров путей сообщения, славившийся
своими традициями и преподавательским составом. Незаурядные способности учёного Тимошенко
проявил рано и в 28 лет стал профессором. Одновременно с чтением лекций в институте он
работал над книгами по теории упругости и статике инженерных сооружений.
Оставшись после Октябрьской революции 1917 г. без работы и средств к существованию, учёный в
1920 г. покинул Россию. В течение трёх лет он преподавал в Загребском политехническом
институте. Аля этого ему пришлось выучить хорватский язык. После долгих раздумий С. П.
Тимошенко принял решение переехать в США. В Америке в начале XX в. наука была развита
значительно слабее, чем в Европе; этим и объясняются сомнения учёного. «Здесь инженерной
наукой никто не интересовался, — вспоминал позже Тимошенко, — и я чувствовал, что придётся
жить в научном одиночестве. Оставаясь в Европе, я был бы ближе к научным центрам. Но
материальная сторона дела в Америке была несравненно лучше».
Некоторое время С. П. Тимошенко работал в американской компании «Вестингауз», но затем стал
отдавать всё своё время преподавательской деятельности и теоретическим исследованиям.
С 1924 г. учёный читал циклы лекций по теории упругости и сопротивлению материалов для
выпускников американских высших учебных заведений, желавших получить
более глубокие знания в данной области. В 1927 г. Тимошенко пригласили на должность
профессора Мичиганского университета в город Анн-Арбор. При университете действовала летняя
школа механики для докторантов и дипломированных специалистов. Учёный стал преподавать в
ней. Многие приезжали в Анн-Арбор специально, чтобы подготовить под руководством русского
профессора докторскую диссертацию. Тысячи инженеров, учёных и студентов постигали науку о
сопротивлении материалов по книгам Тимошенко «Прикладная теория упругости», «Вибрации в
машиностроении» и др. В 1935 г. Учёный организовал школу прикладной механики при
Станфордском университете в Пало-Алто. В этом городе он прожил 18 лет.
В 1958 г., после почти 40-летней разлуки, Тимошенко приехал в Россию повидать места, где
прошла его молодость и начиналась научная деятельность. Учёный посетил Москву, Ленинград,
Киев. Узнав, что в России большим тиражом издаются его книги, Тимошенко предложил на
положенные гонорары учредить премию для российских учёных — за лучшую работу по
строительной механике.
В США с 1958 г. присуждается премия имени Степана Тимошенко за лучшую работу по
прикладной механике. Здесь его даже называют отцом американской прикладной механики, что
свидетельствует о высокой оценке заслуг русского учёного. Умер С. П. Тимошенко 29 мая 1972 г.
в западногерманском городе Вупперталь.
Степан Прокофьевич Тимошенко.
*Кинетическая (от греч. «кинетико'с» — «приводящий в движение») теория газов объясняет
явления переноса энергии, массы и т. д. на основании законов движения и взаимодействия
молекул.
143
Российский радиотелескоп РТ-70.
событий, основы явлений природы. Учёный ищет связи, объединяющие разрозненные факты.
Цель его деятельности — поиск научной истины, новых знаний о фундаментальных законах
природы. Именно поэтому науки такого рода называют фундаментальными, т. е.
основополагающими. А научные знания, позволяющие использовать в технике достижения
фундаментальной науки, называют прикладными.
Конечно, деление единой науки на прикладную и фундаментальную весьма условно, граница
между ними размыта. Ведущие промышленные компании мира имеют научно-
исследовательские лаборатории для изучения фундаментальных проблем, а чисто научные
институты многие свои разработки передают непосредственно в производство, для
прикладного применения.
И всё-таки, несмотря на это, вот уже более ста лет «полезной» прикладной науке
противопоставляют фундаментальную «науку для науки». Время от времени встаёт вопрос:
зачем тратить деньги (действительно огромные) на исследование структуры материи, изучение
планет и дальнего космоса, когда у человечества столько насущных нужд? Давайте добьёмся
изобилия и всеобщего благоденствия на Земле, уничтожим нищету, голод, болезни, а уж тогда
займёмся фундаментальными исследованиями — физикой звёзд и элементарных частиц.
Если бы так рассуждали наши далёкие предки, человечество до сих пор, пожалуй, так и не
вышло бы из пещер. Первобытные люди открывали для себя мир и его законы отнюдь не
всегда в поисках сиюминутной пользы. Гораздо чаще ими двигала любознательность: а что там,
за горами, за рекой? Что будет, если принести в пещеру горящую ветку, положить в костёр этот
блестящий камень или кусок глины? Опыты приводили к открытиям, которые для своего
времени были порой фундаментальными: Человек всегда стремился к неведомому и познавал
законы природы всеми доступными ему средствами. Но самое главное — прикладные науки,
применяющие фундаментальные знания о природе для решения технических задач, не могут
успешно развиваться в отрыве от фундаментальных наук.
В XVIII в. электрические явления воспринимались как некий курьёз, развлечение. Иначе
говоря, знания об электричестве не имели прикладного значения. И трудно себе представить,
каким стал бы наш мир сегодня, если бы от исследований электричества тогда отказались за
бесполезностью. В 1900 г. родилась квантовая механика. Она казалась наукой абсолютно
умозрительной и совершенно непонятной — даже большинству физиков. Более того, её
упрекали в идеализме, «ненаучности» и прочих грехах. Но уже через полвека появились
лазеры, работающие на принципах квантовой механики. А к чему приведут современные
фундаментальные исследования спустя десятилетия, не знает никто.
«Наука есть лучший современный способ удовлетворения любопытства отдельных лиц за счёт
государства» — так определил много лет назад род своих занятий известный физик, академик
Лев Андреевич Арцимович, славившийся остроумием. Не нужно принимать его слова всерьёз.
Именно любопытство, вернее, любознательность, любовь к знанию, а отнюдь не лень —
настоящий двигатель прогресса. Фундаментальные и прикладные науки — единое целое, как
дерево с мощным стволом и растущими на нём ветвями с листьями и плодами.
144
ТЕХНИКА ДЛЯ ИССЛЕДОВАНИЯ СТРУКТУРЫ МАТЕРИИ
Микроскоп, изобретённый в 1673 г. голландским натуралистом Антони ван Левенгуком,
совершил настоящую революцию в науке. Благодаря этому прибору стало возможным
изучение структур столь малых, что невооружённым глазом разглядеть их нельзя. Первые
микроскопы давали увеличение в сотни раз, позволяя увидеть «конструкцию» древесины,
металлов, строение живой клетки. Позже появились более сложные и совершенные приборы,
но принцип работы со времён Левенгука практически не изменился.
Любой оптический микроскоп использует световые волны и состоит из трёх основных
элементов: объектива, окуляра и конденсора.
Конденсор (от лат. condenso — «сгущаю», «уплотняю») концентрирует световой поток, и тот
ярко освещает объект исследования. Первое увеличенное изображение создаётся объективом, а
второе — окуляром (от лат. ocularis — «глазной»). Полное увеличение оптического
микроскопа равно произведению увеличений объектива и окуляра и достигает 3 тыс. раз.
Увидеть в такой прибор можно частицу размером около 0,4 микрометра (0,0004 мм). Этот
предел называется разрешающей способностью', объекты меньшего размера световые волны
«не замечают».
Световой микроскоп позволяет изучать только поверхность непрозрачных веществ, а их
внутреннее строение остаётся скрытым от глаз. В XX столетии были созданы приборы,
которые сумели «заглянуть» внутрь вещества. Рентгеновские лучи принесли сведения о том,
как расположены в кристаллах атомы. Исследование спектров излучения (набор
электромагнитных волн, испускаемых нагретым веществом) дало возможность не только
узнать состав давно известных соединений, но и открыть новые элементы. Когда выяснилось,
что атом не есть «неделимая» (так переводится с греческого языка это слово) частица материи,
начали строить новые физические приборы для изучения структуры атома — ускорители
заряженных частиц.
Сегодня научно-исследовательские лаборатории располагают разнообразной техникой для
исследования свойств материи. Это осциллографы,
145
Лаборатория Российского научного центра «Курчатовский институт». Москва.
Джозеф Томсон.
которые служат для записи сложных электрических сигналов; генераторы, вырабатывающие
импульсы или непрерывные колебания разных частот, установки для химического анализа и
многие другие сложные приборы. Написать здесь обо всей подобной технике невозможно: одно
только её перечисление займёт несколько страниц, а подробный рассказ о работе — вообще
целый том. Мы остановимся на научных приборах только двух типов: во-первых, на
электронных микроскопах, которые обладают рекордной разрешающей способностью, и, во-
вторых, на ускорителях, позволивших насколько возможно «забраться» вглубь материи.
ЭЛЕКТРОННЫЕ МИКРОСКОПЫ
Новая страница в истории изучения структуры вещества началась с создания в 1930 г.
электронного микроскопа. Впервые для прямого исследования не видимых глазом объектов
были использованы не световые волны. Подготовили же изобретение этого прибора открытия,
сделанные физиками ещё в XIX в.
Свет имеет волновую природу, и длина его волны ограничивает разрешающую способность
микроскопов.
Световая волна «не замечает» предметов, размеры которых меньше её длины, поэтому увидеть
их не удаётся. В 1895 г. В. Рентген во время опытов с разрежёнными газами обнаружил некое
излучение, возникающее в вакуумной трубке с двумя электродами (лучи шли от катода к
аноду). Природа и свойства неизвестных лучей были неясны.
В 1897 г. английский физик Дж. Томсон доказал, что катодные лучи представляют собой поток
мельчайших заряженных частиц — электронов. Это открытие отдалило создание электронного
микроскопа на несколько десятилетий: ведь если катодные лучи — поток частиц, то «осветить»
ими объект и получить его изображение нельзя.
Однако в 1924 г. французский учёный Луи де Бройль (1892—1987) показал, что все частицы
имеют двоякую природу — ведут себя одновременно и как частицы, и как волны. При этом
существует закономерность: чем больше энергия частицы, тем меньше длина её волны, а
энергия частицы тем больше, чем выше её скорость. Следовательно, сильно разогнав
электроны, можно получить волны в 100 тыс. раз короче световых и, значит, увидеть в 100 тыс.
раз более мелкие объекты, чем в световой микроскоп.
Прообразом современного электронного микроскопа стал прибор, который создали в 1931 г.
немецкие учёные М. Кнолль и Э. Руска. Он состоял из источника пучка электронов
(раскалённого электрическим током катода), двух магнитных линз, фокусирующих этот пучок,
и экрана в фокусе второй линзы. Первым получилось изображение самого катода —
металлической нити, испускающей электроны.
Сегодня есть несколько разновидностей электронных микроскопов; все они позволяют видеть
объекты размером в тысячные и миллионные доли миллиметра. Эти невероятно малые
величины измеряются в микронах, или микрометрах (1 мкм = 10'3 мм), и нанометрах (1 нм =10’
6 мм).
146
ПРОСВЕЧИВАЮЩИЙ ЭЛЕКТРОННЫЙ МИКРОСКОП
Основными элементами просвечивающего электронного микроскопа, как и светового, являются
конденсор, объектив и окуляр. Роль источника света играет электронная пушка: катод
испускает электроны, анод фокусирует и ускоряет их. Затем электроны попадают в
конденсорную систему, задача которой в микроскопах любого типа — собрать и направить на
объект исследования как можно больше лучей от источника. Сформированный пучок
электронов попадает на образец и затем в объектив, в фокальной плоскости которого
образуется первое увеличенное изображение. При помощи проектора, представляющего собой
систему магнитных линз, оно переносится на экран или фотопластинку в ещё более
увеличенном виде.
Микроскопы этой конструкции работают на просвет: изображение создают электроны,
прошедшие образец насквозь. Поэтому для исследования либо берут плёнку из матери-
Жгутиковые бактерии под микроскопом.
ала образца, либо делают отпечаток его поверхности — реплику.
В просвечивающий электронный микроскоп хорошо видны очень маленькие, размером всего в
несколько десятков атомных объёмов, пустоты в металле (поры) и нарушения (дефекты)
кристаллической структуры (так называемые дислокации), которые сильно влияют на свойства
материалов. Так были открыты некоторые вирусы, например возбудитель полиомиелита
(размер 1—2 нм), изучено строение бактерий и клеток Разрешение просвечивающего
микроскопа достигает 0,1 нм, что позволяет видеть отдельные атомы.
РАСТРОВЫЙ МИКРОСКОП
Чрезвычайно плодотворной оказалась идея применить в микроскопии телевизионную систему с
растровой развёрткой (см. статью «Телевизионная техника»). Первоначально принцип
растровой развёртки предполагалось использовать в обычном световом микроскопе — чтобы
повысить
* Светом называют электромагнитные волны в интервале частот, воспринимаемых
человеческим глазом (4,0* 1014— 7,5* 1014 Гц).
147
ИЗГОТОВЛЕНИЕ РЕПЛИК
Процедура подготовки образцов для просвечивающего микроскопа граничит с искусством; она
требует большого терпения, изобретательности и сноровки. Для приготовления отпечатка —
реплики — на исследуемую поверхность наносят тонкую плёнку из углерода (в вакууме),
коллодия или нитроцеллюлозы (желеобразных органических соединений). Отделение реплики
от образца — наиболее трудоёмкий и ответственный процесс. Чтобы не повредить плёнку,
нередко приходится растворять сам образец.
Если плёнка слишком гладкая, её «оттеняют», напыляя металл под малым углом к поверхности.
Частицы металла оседают в основном на неровностях, повышая контрастность изображения.
Биологические объекты фиксируют в химическом растворе, удаляют воду и заливают
эпоксидной смолой. Полученные твёрдые заготовки (штабики) исследуемой ткани нарезают
тонкими слоями на устройствах, именуемых ультрамикротомами.
Электронный микроскоп «Мира». ФРГ.
Высота — 2 м; объём — 2 м3; увеличение — 5 тыс. раз.
РАСТРОВЫЙ УЛЬТРАЗВУКОВОЙ МИКРОСКОП
В конце 40-х гг. советский исследователь С. Я. Соколов сконструировал растровый
ультразвуковой микроскоп. Учёный использовал свойство акустических колебаний с частотой
от 2*104 до 10В 9 Гц поглощаться материалом по-разному — в зависимости от его плотности.
Ультразвук, пройдя сквозь массивный образец, меняет свою интенсивность в соответствии со
структурой образца и попадает на кварцевую пластину. Пластина деформируется, и на её
поверхности появляются заряды, распределение которых соответствует интенсивности
ультразвуковых колебаний в разных точках. Зонд электронного микроскопа сканирует
поверхность пластины, считывая получившуюся картину. Основное достоинство этого прибора
— большая глубина проникновения ультразвука: он обнаруживает микропоры в металле,
удалённые от поверхности на десятки сантиметров. Ультразвуковые микроскопы используют
также для наблюдения физических процессов и химических реакций, протекающих в
жидкостях.
контрастность изображения. Затем решили сканировать тонким электронным лучом сам
образец и последовательно передавать информацию о каждой его точке в «собирающий
элемент» (например, фотоумножитель), а с него — на экран телевизора (кинескоп).
Разрешающая способность растрового микроскопа в первую очередь зависит от диаметра
электронного пучка, который у лучших моделей составляет около 5 нм, а в отдельных случаях
его удаётся уменьшить в 10— 15 раз. На контрастность изображения влияют электрические и
магнитные поля образцов, поэтому на магнитных лентах или диске можно различить области с
разной намагниченностью (домены), «увидеть» разность потенциалов частей кремниевого
диода. Первыми биологическими объектами, «попавшими» в растровый электронный
микроскоп, стали амёба и личинка мучного червя, покрытые тонким слоем серебра. Сегодня
уже получены интересные изображения красных и белых клеток крови, раковых клеток,
бактерий; изучены и внутриклеточные структуры — ядро, митохондрии, лизосомы.
АВТОЭМИССИОННЫЕ МИКРОСКОПЫ
Порой выдающиеся научные изобретения появляются на свет случайно и неожиданно для
самих авторов. Так, в 30-х гг. XX в. немецкие физики Г.Герц и Э.Мюллер занимались
изучением автоэлектронной эмиссии. Суть этого явления состоит в том, что в сильных
электрических полях, сравнимых с полем внутри атома (10—100 млн. вольт на сантиметр), с
поверхности металлов и полупроводников «улетают» электроны.
Ещё до работ Герца и Мюллера было хорошо известно, что электрическое поле возле
заряженного предмета тем сильнее, чем больше искривлена его поверхность. Однако именно
этим учёным впервые пришла в голову мысль, что можно по-
148
лучить достаточно сильное поле, прикладывая напряжение между электродом и заострённой
металлической проволокой (сильно искривлённой поверхностью).
В 1936 г. Э.Мюллер решил посмотреть, под каким углом с этого острия будут вылетать
электроны. Он поставил на пути частиц экран. На нём, к удивлению экспериментатора,
возникла картина из симметрично расположенных тёмных и светлых пятен — изображение
самого острия. Установка Мюллера фактически стала первым автоэлектронным микроскопом.
Увеличение автоэлектронного микроскопа приближённо равно отношению расстояния от
образца до экрана к радиусу закругления острия. Обычно оно составляет около 1 млн., а
разрешающая способность — порядка 1 нм. Применяют подобный микроскоп в основном для
исследования кристаллической структуры материалов.
Почти случайно был изобретён и автоионный микроскоп. В 1940 г. 9. Мюллер, изучая
поведение плёнки бария на поверхности вольфрамового острия, обнаружил новое явление.
Если на остриё подать положительный заряд и повысить напряжённость поля, то поле будет
настолько сильным, что станет «сдирать» с атомов электроны. Атомы превратятся в ионы и
улетят с поверхности при комнатной температуре.
Мюллер понял, что открытая закономерность может найти важное практическое применение.
Если на пути ионов поставить экран, на нём получится изображение структуры поверхности.
Ионы имеют меньшую длину волны, чем электроны, поэтому разрешение будет выше раз в
десять. Новый прибор получил название автоионного микроскопа или ионного проектора.
Однако потребовались годы, чтобы воплотить идею в жизнь. Появился автоионный микроскоп
только в 1955 г. и практически сразу дал уникальный результат: позволил увидеть на
поверхности металлического образца отдельные атомы! Ныне такие приборы используют,
прежде всего, для исследования структуры кристаллов и сплавов на атомарном уровне и для
наблюдения за движением отдельных атомов по поверхности металла.
В 1967 г. Мюллер усовершенствовал автоионный микроскоп, совместив его с масс-
спектрометром — прибором, определяющим массу и заряд иона. Новое устройство позволяет
безошибочно определять химическую природу любой отдельной частицы, заранее выбранной
на экране автоионного микроскопа.
В настоящее время автоэлектронный и автоионный микроскопы чаще называют соответственно
полевым электронным микроскопом (ПЭМ) и полевым ионным микроскопом (ПИМ).
СКАНИРУЮЩИЕ ЗОНДОВЫЕ МИКРОСКОПЫ
Наиболее молодое и перспективное направление в исследовании свойств поверхности —
сканирующая зондовая микроскопия. Зондовые микроскопы имеют рекордное разрешение —
менее 0,1 нм. Они измеряют
Молекула ДНК, увиденная с помощью российского сканирующего зондового микроскопа
«Солвер» P4-SPM-MDT.
149
Атомарное разрешение на поверхности графитовой плёнки.
Поверхность золотой фольги.
электронов
90 % ПОТОКА
тхектронов
( ^брАЭСи
Упрошенная схема туннельного микроскопа.
взаимодействие между поверхностью и сканирующим её микроскопическим остриём — зондом
— и выводят трёхмерное изображение на экран компьютера.
Методы зондовой микроскопии позволяют не только видеть атомы и молекулы, но и
воздействовать на них. При этом — что особенно важно — объекты могут изучаться не
обязательно в вакууме (что обычно для электронных микроскопов), но и в различных газах и
жидкостях.
Первый зондовый микроскоп — сканирующий туннельный микроскоп — изобрели в 1981 г.
сотрудники Исследовательского центра фирмы IBM Г. Бинниг и X. Рорер (США). Они
попытались сконструировать прибор для исследования участков поверхности размером менее
10 нм. Результаты превзошли самые смелые ожидания: учёным удалось увидеть отдельные
атомы, размер которых в поперечнике составляет около 1 нм. За изобретение туннельного
микроскопа Бинниг и Рорер в 1986 г. были удостоены Нобелевской премии.
В основе работы сканирующего туннельного микроскопа лежит квантово-механическое
явление, называемое туннельным эффектом. Тонкое металлическое остриё — зонд (заряжен
отрицательно) — подводится на близкое расстояние к образцу, тоже металлическому (заряжен
положительно). Когда промежуток составит всего несколько межатомных расстояний,
электроны начнут свободно проходить через него — «туннелировать»: через зазор потечёт ток.
Для работы микроскопа решающее значение имеет резкая зависимость силы туннельного тока
от расстояния между остриём и поверхностью образца. При уменьшении зазора всего на 0,1 нм
ток возрастёт примерно в 10 раз. Следовательно, даже неровности размером с атом вызывают
заметные колебания величины тока.
Для получения изображения зонд сканирует поверхность, а электронная система считывает
величину тока, и как только величина меняется, остриё опускается или поднимается. Таким
образом система поддерживает величину тока постоянной, а траектория движения острия
повторяет рельеф поверхности, огибая возвышенности и углубления.
Остриё перемещает пъезосканер — манипулятор из материала, способного изменяться под
действием электрического напряжения. Обычно он имеет форму трубки с несколькими
электродами, которая удлиняется или изгибается, перемещая зонд по разным направлениям с
точностью до тысячных долей нанометра.
Информация о движении острия преобразуется в изображение поверхности, которое строится
по точкам на экране. Для наглядности участки разной высоты окрашены в различные цвета.
С помощью туннельного микроскопа, например, обнаружили, что атомы на поверхности
кристалла расположены не так, как внутри, и часто образуют сложные структуры.
В туннельный микроскоп можно изучать лишь проводящие ток объекты. Однако в него бывают
«видны» и тонкие диэлектрики (в виде плёнки), если их поместить на поверхность
проводящего материала. Несмотря на то что этот эффект ещё не нашёл полного объяснения, его
с успехом применяют для изучения многих органических плёнок и биологических объектов —
белков, вирусов.
С помощью иглы микроскопа даже наносят рисунки на металличе-
150
«ЖИВЫЕ» МАГНИТЫ
Микромагниты играют важную роль и в живой природе. Так, бактерии Aquaspirillum
magnetotacticum умеют двигаться в морской воде вдоль линий магнитного поля Земли к северу
в Северном полушарии и к югу в Южном. Оказывается, у них есть внутренние постоянные
магниты — магнетосомы, образованные цепочками из 10—25 кристаллов оксида железа,
размер каждого из которых достигает около 50 нм. Американские учёные сумели с помощью
магнитно-силового микроскопа измерить магнитный момент одной бактерии, длина которой
равнялась 2 мкм.
ские пластины, используя в качестве «пишущего» материала отдельные атомы — их осаждают
на поверхность или удаляют с неё. Так, в 1991 г. сотрудники фирмы IBM написали атомами
ксенона (инертного газа) на поверхности никелевой пластины название своей фирмы — IBM.
Букву I составили всего 9 атомов, а буквы В и М — 13 атомов каждую.
В идеале на конце острия зонда должен находиться один неподвижный атом. Впрочем, даже у
просто срезанной под углом 30—60° проволоки один из атомов всегда оказывается ближе
других к исследуемой поверхности и играет роль острия. Если же на конце иглы случайно
оказалось несколько выступов, изображение может двоиться, троиться, и тогда иглу травят в
кислоте, придавая ей нужную форму.
Следующим шагом в развитии сканирующей зондовой микроскопии стало создание атомно-
силового микроскопа. Его изобрели в 1986 г. Бинниг, Квейт и Гербер. Если в туннельном
микроскопе решающую роль играет резкая зависимость туннельного тока от расстояния между
зондом и образцом, то для атомно-силового микроскопа такое же значение имеет зависимость
силы взаимодействия тел от расстояния между ними.
Зондом атомно-силового микроскопа служит миниатюрная упругая пластина — кантилевер.
Один её конец закреплён, а на другом сформировано зондирующее остриё из твёрдого
материала — кремния или нитрида кремния. При перемещении зонда силы взаимодействия
между его атомами и неровной поверхностью образца будут изгибать пластину. Если
перемещать зонд так, чтобы прогиб оставался постоянным, получится изображение профиля
поверхности. Такой режим работы микроскопа называется контактным. Он позволяет
измерять с разрешением в доли нанометра не только рельеф, но и силы трения, упругость и
вязкость исследуемого объекта.
Сканирование в контакте с образцом часто приводит к его деформации и разрушению.
Воздействие зонда на поверхность может быть полезным, например, при изготовлении
микросхем. Однако зонд может легко порвать тонкую полимерную плёнку или повредить
бактерию, вызвав её гибель. Чтобы избежать этого, кантилевер приводят в резонансные
колебания вблизи поверхности и регистрируют изменение амплитуды, частоты или фазы
колебаний, вызванных взаимодействием с поверхностью. Такой метод позволяет изучать
живые микробы: колеблющаяся игла действует на бактерию, как лёгкий массаж, не причиняя
вреда и позволяя наблюдать за её движением, ростом и делением.
Г 1рН»«1МП pjfXHIU ЛОМНОЧМАОВОГ О микросхемы.
/ — полуП|м)Водмикопыи ламр; 2 — лгтек тор;
3 оСтраэсц; 4 — пы'мх’камгр;
5 — канткАгеср; б мтркало.
Название фирмы IBM, написанное атомами ксенона на поверхности никелевой пластины.
Изображение бактерий кишечной палочки, полученное на атомно-силовом микроскопе.
Сторона квадрата — 1 мкм. В организме эти бактерии играют, как правило, положительную
роль: помогают процессу пищеварения, сбраживают глюкозу, лактозу и другие углеводы.
151
Участок поверхности магнито-оптического диска размером 5x5 мкм. Левый рисунок
соответствует профилю поверхности (тёмные полосы — микроуглубления): правый
отражает структуру намагниченных областей. Каждый продолговатый островок размером
2x1 мкм соответствует одной единице (биту) информации. В области углублений хорошо
различима доменная структура магнитной плёнки.
В 1987 г. И. Мартин и К. Викрамасингх (США) предложили в качестве зондирующего острия
использовать намагниченную микроиглу. Так появился магнитно-силовой микроскоп.
Он позволяет увидеть отдельные магнитные области в материале — домены — размером до 10
нм. Используют его и для сверхплотной записи информации, формируя на поверхности плёнки
домены с помощью полей иглы и постоянного магнита. Такая запись в сотни раз плотнее, чем
на современных магнитных и оптических дисках.
Возникновение сканирующей зондовой микроскопии удачно совпало с началом бурного
развития компьютерной техники, открывающей новые возможности использования зондовых
микроскопов. В 1998 г. в Центре перспективных технологий (Москва) создана модель
сканирующего зондового микроскопа «ФемтоСкан-001», которым управляют также через
Интернет. Теперь в любой точке земного шара исследователь сможет работать на микроскопе, а
каждый желающий — «заглянуть» в микромир, не отходя от компьютера.
ЗАЧЕМ ЧЕЛОВЕКУ УСКОРИТЕЛЬ?
Чтобы понять, зачем нужна экспериментальная физика со своими хитрыми и часто дорогими
приборами, вспомним английского естествоиспытателя М. Фарадея. В 30-х гг. XIX в. в
результате серии кропотливых опытов с проволокой и природным магнитом ему удалось
построить прообраз современного электродвигателя. Сегодня уже трудно представить жизнь
человека без электрических машин — настолько прочно вошли они в наш быт.
Современные физики-экспериментаторы тоже проводят опыты с магнитами и проводами,
однако, приборы у них совсем других размеров. Изучаемые эффекты проявляют себя в
микроскопически малой области взаимодействия — порядка 10'15 см и менее. Именно этот
ультрамикромир хранит пока не разгаданные тайны строения материи, пространства и времени;
в нём проверяются фундаментальные законы природы. Такие области можно исследовать
только с помощью частиц-«разведчиков», разогнанных до сверхвысоких энергий. Чтобы
получить нужную энергию, требуются мощные, на пределе возможного, электрические и
магнитные поля и грандиозные (и по сложности, и по размерам) машины — ускорители.
Естественно, что подобная техника обходится государству недёшево, и поэтому физика
высоких энергий развивается лишь в самых богатых странах. А поскольку учёных,
занимающихся ею, много больше, чем ускорителей, экспериментальные программы носят, как
правило, международный характер.
Сканирующий зондовый микроскоп «Солвер» P4-SPM-MDT.
152
ОТ ОПЫТОВ РЕЗЕРФОРДА — К УСКОРИТЕЛЯМ
Исследовать строение атома (его размер 10'8 см) начал в 1911 г. английский физик Э.
Резерфорд. Направляя поток альфа-частиц на тонкую металлическую фольгу, Резерфорд
измерял число частиц, прошедших сквозь преграду, и угол, на который они отклонялись после
взаимодействия с атомами металла.
Вскоре обнаружилась удивительная вещь: некоторые частицы отскакивали от тонкого
листочка, как мячик от каменной стенки! Это означало, что в материале есть очень маленькие,
порядка 10'12 см, области, заряженные положительно. Так было открыто атомное ядро. Однако
чтобы проникнуть внутрь ядра, энергии природных источников не хватало. Повысить же
энергию частиц можно было, ускорив их.
КАК УСТРОЕНЫ УСКОРИТЕЛИ ЗАРЯЖЕННЫХ ЧАСТИЦ
Простейший (и в то же время достаточно сложный) ускоритель электронов есть почти в каждом
доме. Это телевизор, вернее, его основная деталь — телевизионная трубка, или кинескоп. Катод
кинескопа при нагревании до высокой температуры испускает электроны — элементарные
частицы с отрицательным зарядом. Электронный поток попадает в электрическое поле
высокого напряжения (около 20 тыс. вольт), которое его ускоряет. Энергия заряженных частиц
измеряется в единицах, кратных энергии, приобретаемой электроном при прохождении
разности потенциалов поля в 1 В, — электрон-вольтах (эВ). В телевизионной трубке он
ускоряется до энергии 20 килоэлектронвольт (1 кэВ = 1000 эВ). Этой энергии хватает, чтобы
электрон, попав в люминофор на экране телевизора, заставил его светиться.
Однако для решения исследовательских задач энергии не хватит: ведь даже в опытах
Резерфорда альфа-частицы имели в сотни раз большую энергию — от 2 до 8
мегаэлектронвольт (1 МэВ = 1 000 000 эВ). Следовательно, нужно либо поставить один за
другим много «кинескопов», чтобы в каждом из них частицы приобретали дополнительную
энергию, либо заставить пучок частиц проходить один и тот же ускоряющий участок
многократно. В первом случае мы получим так называемый линейный ускоритель, а во втором
— кольцевой, или циклический. Для достижения высоких энергий используют кольцевые
ускорители, ибо гораздо дешевле организовать кольцевую траекторию пучка, чем
«нанизывать» по прямой однотипные участки, собранные из стандартной, но достаточно
сложной и дорогой аппаратуры. Однако там, где высокие энергии не нужны (например, в
установках для медицины), предпочтительнее линейные ускорители.
Современный ускоритель — это, вообще говоря, труба, из которой выкачан воздух. В неё
«вбрасывают» частицы из вспомогательного ускорителя малой энергии. На трубу, свёрнутую в
кольцо, «надеты» ускоряющие блоки (системы электродов, которые создают электрическое
поле, ускоряющее частицы) и электромагниты (они заворачивают частицы,
Ускоритель протонов. Дубна.
*Альфа-частицами называют ядра атомов гелия, содержащие 2 протона и 2 нейтрона.
153
заставляя их двигаться по кольцу). Но частицы одного знака имеют тенденцию
«расталкиваться». Создать абсолютно безвоздушное пространство в трубе невозможно,
поэтому частицы рассеиваются на оставшихся молекулах воздуха. Их фокусируют, т. е.
«прижимают» к оси движения, при помощи так называемых магнитных линз. Когда частицы
наберут нужную скорость, включается поворотный электромагнит. Он отклоняет их в канал,
ведущий к объекту исследования (это, как правило, атомы выбранного для опыта вещества
либо внутриатомные частицы).
Существует и другая система классификации ускорителей — по типу ускоряющего
электрического поля. Высоковольтные ускорители работают за счёт высокой разности
потенциалов между электродами ускоряющего пространства, которое действует всё время,
пока частицы пролетают между электродами. В индукционных ускорителях «работает»
вихревое электрическое поле, индуцируемое (возбуждаемое) в месте, где в данный момент
находятся частицы. И, наконец, в резонансных ускорителях использу-
Схема нового ускорителя Института физики высоких энергий.
Первая очередь ускорителя (1) собрана на обычных, «тёплых» магнитах (2), вторая (9) — на
магнитах сверхпроводящих. По трубкам, из которых откачан воздух (3), летят ускоряемые
частицы.
Сверхпроводящие обмотки магнитов (4) смонтированы в кольцевой ёмкости с жидким гелием
(5), окружённой рубашкой из жидкого азота (6). Вся система находится в «термосе» —
вакуумированной трубе (7), покрытой слоем теплоизоляции (8).
Зал ускорителя У- 70. Институт физики высоких энергий. Протвино. Московская область.
154
Сверхпроводящий дипольный магнит в криостате (устройстве для поддержания низкой
температуры).
Синхрофазотрон (на энергию 10 ГэВ) лаборатории высоких энергий.
ют изменяемое по времени и по величине электрическое ускоряющее поле, синхронно с
которым, «в резонанс», происходит ускорение всего «ансамбля» частиц.
Когда говорят о современных ускорителях частиц на высокие энергии, имеют в виду в
основном кольцевые резонансные ускорители. В зависимости от особенностей режимов
ускорения различают несколько типов. Если частота ускоряющего поля и ведущее магнитное
поле постоянны во времени, ускоритель называется циклотроном; если магнитное поле
нарастает в течение цикла ускорения — перед нами синхротрон; а если при этом изменяется и
частота ускоряющего поля — мы имеем дело с синхрофазотроном. В протонных ускорителях
на очень высокие энергии к концу периода ускорения скорость частиц приближается к
скорости света. Они обращаются по круговой орбите с постоянной частотой; ускорители для
протонов высоких энергий называют протонными синхротронами. Три самых крупных
расположены в США, Швейцарии и России.
ИЗ ИСТОРИИ СОЗДАНИЯ УСКОРИТЕЛЕЙ
Первым ускорителем стал циклотрон. Он был построен ещё в 1930 г. Э. Лоуренсом в США.
Поскольку физический мир устроен по единым за-
конам, все ускорители одного типа, где бы они ни были созданы, похожи друг на друга, как
близнецы. У циклотрона есть один большой полый электромагнит, в котором частицы
ускоряются по спиральной орбите. В настоящее время новых циклотронов уже не строят, но до
сих пор их используют для опытов с ускорением до сравнительно скромных энергий — 20
МэВ.
Достичь более высоких энергий с помощью циклотронов не удалось,
Циклотрон Лоуренса.
155
Сверхпроводящий кабель.
так как возникли и технические, и физические трудности. В частности, с увеличением энергии
частиц начинает проявлять себя предсказанное
А. Эйнштейном увеличение массы с ростом скорости: «тяжёлая» частица испытывает меньшее
ускорение. В циклотронах это неизбежно приводило к уменьшению частоты обращения
сгустков частиц, ускоряемых по кольцевой орбите. В 1944 г. независимо друг от друга
советский физик
В. И. Векслер и американский физик Э.М. Макмиллан открыли принцип автофазировки. Суть
метода заключается в следующем: если определённым образом подобрать поля, частицы будут
всё время автоматически попадать в фазу с ускоряющим напряжением. В 1952 г. американские
учёные Э. Курант, М. Ливингстон и X. Снайдер предложили так называемую жёсткую
фокусировку, которая прижимает частицы к оси движения. С помощью этих открытий удалось
создать синхрофазотроны на сколь угодно высокие энергии.
Энергия ныне действующих ускорителей достигает десятков и сотен гигаэлектронвольт (1 ГэВ
= 1000 МэВ). Самый мощный находится в США. Он называется «Тэватрон», поскольку в его
кольце (длина более б км) с помощью сверхпроводящих магнитов протоны приобретают
энергию около 1 тераэлектронвольт (1 ТэВ = 1000 ГэВ). Крупнейший российский ускоритель
У-70, построенный в Институте физики высоких энергий (Московская область, город
Протвино), работает с 1967 г. и ускоряет в 1,5-километровом кольце на «обычных»
электромагнитах протоны до энергии 76 ГэВ (четвёртый показатель в мире). Здесь же сооружён
подземный кольцевой тоннель длиной 21 км для нового ускорителя, который начнёт
действовать уже в XXI в.
Чтобы достичь ещё более высокой энергии взаимодействия пучка ускоренных частиц с
материалом исследуемого физического объекта, можно разогнать «мишень» навстречу
«снаряду». Для этого организуют столкновение пучков частиц, летящих навстречу друг другу в
особых ускорителях — коллайдерах. Конечно, плотность частиц во встречных пучках не столь
велика, как в материале неподвижной «мишени», поэтому для её увеличения применяют так
называемые накопители. Это кольцевые вакуумные камеры, в которые «порциями»
вбрасывают частицы из ускорителя. Накопители снабжены ускоряющими системами,
компенсирующими частицам потерю энергии. Именно с коллайдерами учёные связывают
дальнейшее развитие ускорителей. Их сооружено пока считанные единицы, и находятся они в
самых развитых странах мира — в США, Японии, ФРГ, а также в Европейском центре ядерных
исследований, базирующемся в Швейцарии.
ЧТО ПОЛУЧАЮТ В УСКОРИТЕЛЯХ
Современный ускоритель — это «фабрика» по производству интенсивных пучков частиц
(электронов или в 2 тыс. раз более тяжёлых протонов). Пучок частиц из ускорителя
направляется на подобранную, исходя из задач эксперимента, «мишень»; при соударении с ней
возникает множество разнообразных вторичных частиц. Рождение новых частиц и есть цель
опытов.
Соударение частиц высоких энергий совсем не похоже на столкновение шаров при игре в
бильярд. Мир высоких энергий и невообразимо
156
малых расстояний настолько специфичен, что для описания взаимодействий в нём пришлось
разрабатывать новую область физики, получившую название квантовой механики. Наиболее
простой аналогией столкновения частиц может быть следующая.
Представим себе аварию, при которой лоб в лоб сталкиваются две машины, допустим «Волга»
и «Москвич» (идут испытания на надёжность, поэтому жертв нет). В обычной жизни на месте
аварии останется груда покорёженного металла, в которой можно, впрочем, разобрать, что
было «до того». А в микромире происходит столкновение, возникает вспышка, и с места
«аварии» стремительно уезжает «Волга» новой модификации, пара «Запорожцев» и мотоцикл.
Именно таковы столкновения в ускорителях: энергия взаимодействия тут же превращается в
материю новых микрочастиц. Всё это заранее, до эксперимента, «расписывается» в
теоретической модели, а задача исследователя — восстановить картину события по
зафиксированным следам частиц.
С помощью специальных устройств — детекторов — эти частицы либо их следы
регистрируют, восстанавливают траекторию движения, определяют массу частиц,
электрический заряд, скорость и другие характеристики. Затем путём сложной математической
обработки информации, полученной с детекторов, на ЭВМ восстанавливают всю «историю»
взаимодействия и, сопоставив результаты измерений с теоретической моделью, делают
выводы: совпадают реальные процессы с построенной моделью или нет. Именно так
добывается новое знание о свойствах внутриядерных частиц.
Чем выше энергия, которую приобрела частица в ускорителе, тем сильнее она воздействует на
атом «мишени» или на встречную частицу в коллайдере, тем мельче будут «осколки». Сегодня
удалось «поймать» самые мелкие частицы, из которых состоит вся материя, — кварки. Будет ли
вещество делиться дальше, покажут дальнейшие исследования.
Магнитный детектор «Кедр». Россия.
Прибор применяется для исследования в области физики высоких энергий. В нём использованы
последние методики регистрации заряженных частиц.
НАНОТЕХНИКА — ТЕХНОЛОГИЯ НАСТОЯЩЕГО И БУДУЩЕГО
Первобытный человек мастерил орудия труда и охоты, строил жилища, шил одежду из
материалов, уже созданных природой. Шло время, каменный век сменялся бронзовым, потом
железным... Постепенно люди научились изготавливать новые материалы — плавить металл,
обжигать керамику, обрабатывать шерсть и растительные волокна, ткать полотно.
Познавая свойства веществ, они стремились их использовать и даже управлять ими:
тысячелетия назад — путём грубой обработки, а сегодня — на уровне молекул и кристаллов.
Эти структуры имеют размеры порядка миллиардной доли метра (10‘9 м) — величины, которая
называется нанометр (от греч. «на'нос» — «карлик» и «ме'трон» — «мера»); обозначается
157
так: нм. Оказалось, что на молекулярном и кристаллическом уровнях возможно принципиально
менять свойства вещества. Отрасль техники, в которой используют подобные структуры,
получила название «нанотехники».
НОВЫЙ КЛАСС МАТЕРИАЛОВ — НАНОКРИСТАЛЛЫ
Подавляющее большинство материалов, с которыми ежедневно приходится сталкиваться,
имеют кристаллическое строение. Металлы, керамика, строительный камень состоят из
кристаллических зерен, сцепленных между собой. И от того, насколько велика сила сцепления,
зависит прочность материала. Очень важную роль здесь играют размеры кристаллов:
крупнозернистый материал непрочен, легко разрушается по границам кристаллов;
мелкозернистая структура прочнее — мелкие кристаллы плотнее прилегают друг к другу и
сцепляются с большей силой. Одними из первых много веков назад это поняли кузнецы.
Конечно, тогда они ничего не знали о структуре металла, но заметили, что изделие становится
более прочным, если его обработать молотом. Сегодня точно известно, что ковка меняет
структуру материала: крупные кристаллы разрушаются, а мелкие уклады-
МОТОР РАЗМЕРОМ С МОЛЕКУЛУ И «РАЗУМНАЯ ПЫЛЬ»
В романе Станислава Лема «Непобедимый» описана планета, в воздухе которой тучами
носились мириады металлических жучков-роботов, атаковавших всё живое. Кажется, наша
земная технология нечто подобное может создать уже сейчас. Например, проектируется
миниатюрный приборчик — «булавка» длиной 1 см и диаметром 1 мм с зонтиком, как у семени
одуван-
Электромотор меньше спичечной головки — далеко не предел. Методы нанотехники
позволяют из отдельных атомов собрать двигатель размером с молекулу.
чика. Внутри разместятся различные датчики, источник питания, микропроцессор, рация.
Зонтик послужит антенной и парашютом. Тучка «булавок», сброшенная с самолёта, будет
опускаться со скоростью около 3 см/с десятки часов, непрерывно анализируя состав
атмосферы. Компоненты этого искусственного облачка, обмениваясь данными между собой,
составят общее мнение о состоянии атмосферы, а затем передадут выводы в центр управления.
Все детали такой микроаппаратуры уже существуют, и скомбинировать их, создав «разумную
пыль», можно будет в начале XXI в. Кроме того, в настоящее время разрабатываются целые
автоматические линии для сборки мельчайших деталей с помощью электростатических сил.
Теми же методами американские инженеры предполагают сделать активной поверхность
крыльев летательного аппарата. Модель в 1/7 величины настоящего самолёта, не имеющая
элеронов, оказалась способна развернуться на 180° за 0,8 с. Часть поверхности её крыльев
покрыта миниатюрными чешуйками (размером 1x1 мм), которые могут «вставать дыбом» или
укладываться ровно, изменяя обтекание крыла. Это и придаёт модели удивительную
манёвренность.
Американские и японские инженеры пытаются сейчас смоделировать способ движения
инфузорий с помощью ресничек. Используя методы, применяемые при создании микросхем,
они формируют на кремниевой пластинке группы из четырёх «ресничек». Под действием
приложенного электрического заряда «реснички» (ширина каждой менее 1 мм) выгибаются
вверх либо прижимаются к пластинке. Управляя «ресничками», её заставляют ползти по столу
со скоростью 0,5 мм/с. «Ресничками» можно передвигать с точностью до нескольких микрон
лёгкие предметы. Это устройство найдёт широкое применение в точной механике, а возможно,
и в биологии — при операциях на живой клетке.
Манипулирование отдельными атомами стало возможно с 1981 г., когда Г. Бинниг и X. Рорер,
работники фирмы IBM, сконструировали туннельный электронный микроскоп. С помощью
этой техники уже сделаны первые образцы нанотранзисторов, или электронных
переключателей, состоящих из считанного числа атомов. Вскоре могут появиться
производства, использующие нанотехнологию в серийном выпуске компонентов для
компьютеров и другой электроники. А в дальнейшем иглой атомно-силового микроскопа будут
созданы первые самовоспроизводящиеся молекулярные наномашины.
158
ваются плотнее. Попробуйте летом на пляже из влажного песка построить замок или просто
куличик. Он получится довольно прочным и высоким. А если строить из гальки, даже мелкой,
«постройка» сразу же рассыплется.
Обычный металл состоит из кристаллов размером от десяти до ста микрометров. Но в начале
80-х гг. XX в. физики научились получать вещества, состоящие из кристалликов нанометровых
размеров — в тысячи раз более мелких. Из них производят композиты (от лат. compositio —
«составление, «соединение») — смеси керамики с металлом, а также смеси нескольких
металлов или нескольких видов керамики. Композиты могут состоять только из
нанокристаллов, иногда нанокристаллы вплавлены в стекловидную массу или сочетаются с
«обычными» кристаллами. Свойства получившихся веществ настолько интересны и необычны,
что их считают совершенно новым классом материалов. Хрупкая керамика становится упругой
и пластичной, металл приобретает способность растягиваться в два с лишним раза не
разрушаясь или становится раз в десять прочнее, чем имеющий «нормальную» структуру.
Электрическое сопротивление помещённых в магнитное поле многослойных композитов
увеличивается почти в два раза. А добавка нанокристаллов чистого железа в соединение,
содержащее окись железа, способна изменить электрическое сопротивление в 100 трлн. (1014)
раз!
Кроме того, нанокристаллические композиты позволяют получать материалы с заданными
физическими свойствами, которые ещё предстоит исследовать.
РЕШЕТО ДЛЯ МОЛЕКУЛ
Один из способов получения новых материалов — химический синтез.
Процесс этот и долгий, и дорогой, причём из всех затрат только треть приходится на сам
синтез, а остальное уходит на разделение компонентов, их очистку и подготовку к обработке. В
то же время в живом организме протекают тысячи сложнейших реакций, которые не требуют
ни высоких температур, ни больших давлений, ни даже особых затрат энергии. Происходит так
потому, что в биологической клетке ходом реакций управляют тончайшие плёнки со сложной
структурой — мембраны (от лат. membrana — «кожица»). Они строго избирательно
пропускают молекулы одних веществ и задерживают молекулы других, сортируя их по
размеру, по величине электрического заряда, его знаку и по другим признакам. Изучение
биологических мембран натолкнуло учёных на мысль создать подобную промышленную
«технологию». И сегодня разработка искусственных мембран для химической
промышленности стала одним из важнейших направлений нанотехники.
Делают такие мембраны разными способами. Из длинных полимерных волокон, например,
получают нечто вроде войлока, сквозь который фильтруют растворённые вещества. В
сплошной полимерной плёнке пробивают отверстия потоком ионов, разогнанных в ускорителе
заряженных частиц. Регулировать размеры дырок в таком «решете» достаточно просто: чем
тяжелее ионы, тем отверстия будут больше. Если через подобную мембрану прокачать
природный газ, он разделится на дорогостоящий гелий и дешёвый метан. Можно очищать
* Химический синтез (от греч. «си'нтесис» — соединение» ) — получение из простых веществ с
помощью химических реакций продуктов более сложного химического состава.
159
воздух и воду не только от пыли и вредных примесей, но даже от болезнетворных бактерий;
можно также очищать химическое сырьё и отделять продукты химических реакций.
ШАРИКИ И ТРУБКИ ИЗ УГЛЕРОДА
С тех пор как в 1985 г. была обнаружена молекула углерода в форме полого шарика, состоящая
из 60 атомов, большие надежды в области нанотехнологии исследователи связывают именно с
углеродом. Нельзя сказать, что открытие это было совершенно неожиданным: задолго до него
группа советских химиков теоретически предсказала, что углерод может существовать в виде
сферической молекулы. А ещё в XIX в. Дмитрий Иванович Менделеев (1834—1907) писал, что
в природе должны быть молекулы «С„, где п есть большая величина». Но всё-таки открытие
такой молекулы — её назвали фуллерен — произвело сенсацию.
Углеродный шарик диаметром чуть больше 0,5 нм стал не только объектом пристального
изучения, но и «родоначальником» целого класса новых наноструктур. Расчёты показали, что
фуллерен — чрезвычайно прочная и устойчивая молекула. Атомы углерода в ней связаны
сильнее, чем в решётке алмаза. Кроме того, оказалось, что на основе фуллерена можно
вырастить углеродные молекулы в виде бочонка (бареллены) из 80 атомов и трубки (тубелены),
в которых число атомов доходит до миллиона. Из них «собирают» ещё более сложные
молекулы в виде бубликов, квадратов, многоугольников и даже многолучевых звёзд,
напоминающих морских ежей. «Сшив» их в разных сочетаниях, можно вырастить трёхмерную
сверхрешётку очень большого размера (шварцшит), которая должна быть ещё более прочной,
чем фуллерен.
Предполагаемая область применения нового материала чрезвычайно обширна. Например, из
нанотрубок, собранных в пучок, получается пористый материал, размер отверстий в котором
нетрудно регулировать, меняя условия роста трубок. Из него можно делать мембраны — те
самые молекулярные сита, о которых упоминалось ранее. Если в поры такого сита «загнать»
длинные молекулы полимера или цепочки атомов металла, образуются композитные
материалы с заранее заданными свойствами. При соединении нанотрубок боковыми
поверхностями половина связей между ними будут такими, как у алмаза, а половина — как у
графита. Получится гибкий материал, прочность которого лишь на треть ниже, чем у алмаза.
Он сможет служить прекрасным покрытием для деталей, работающих в условиях трения.
Если металлом или полимером залить решётку шварцшита, образуется чрезвычайно прочный
аналог железобетона. Роль стальной арматуры в нём играют нанотрубки. Вопреки поговорке
«Где тонко, там и рвётся» в данном случае рвётся там, где прочность ниже. А как уже
говорилось, наноструктуры оказываются во много раз прочнее обыкновенного материала.
Шварцшит может найти применение и в технике принципиально нового уровня —
наноэлектронике. Если в молекуле углерода часть «родных» атомов заменить на атомы других
элементов, она приобретёт свойства полупроводника, проводника или изолятора. Молекулы в
форме кольца можно использовать в качестве элемента памяти нано-ЭВМ: вихревые токи в них
могут «гулять» неограниченно долго. Тубелен, в свою очередь, способен играть роль
*Полимеры — вещества, молекулы которых состоят из большого числа повторяющихся
звеньев.
160
Соедини» BMrtve нссмнми губеАгно», можно
|кНПИТЬ VI trpOAMbM* Movruv *Ы 14МЫХ
ПРИЧУДЛИВЫМ форм
магнитной катушки. Ток должен проходить не по всей его поверхности, а только по
определённым связям, расположенным по спирали, подобно проводу в соленоиде.
Из перечисленных элементов можно собрать электронную схему нанометровых размеров,
уложив в нужном порядке отдельные трубки (или вырастив их прямо на месте). Подобная
схема способна управлять уже не электрическими импульсами, а отдельными электронами,
благодаря чему в карманном микрокалькуляторе поместится вычислительное устройство,
занимающее сегодня несколько шкафов.
Магнитное поле, возникающее внутри такого «наносоленоида», должно достигать
колоссальной величины. Сегодня подобные поля удаётся получить лишь на очень короткое
время, измеряемое долями секунды, в ходе сложных и небезопасных опытов. Эти
эксперименты необходимы для исследования некоторых физических, химических и
биологических явлений. Нанотехника значительно расширит возможности учёных. И хотя это
дело далёкого будущего, нанотрубки уже производят в промышленном масштабе: их
используют в качестве сырья для получения композитов. Шарики-фуллерены оказались
прекрасным материалом для смазки, способной выдерживать высокую температуру. Они же
преподнесли исследователям ещё один, на сей раз совершенно неожиданный сюрприз.
ТВЁРЖЕ АЛМАЗА
Самое твёрдое вещество в природе — алмаз. Это углеродное соединение имеет
кристаллическую решётку в форме тетраэдра (пирамиды с четырьмя равновеликими
треугольными гранями). Его вершины образованы четырьмя атомами углерода. Треугольник
очень жёсткая фигура: его можно сломать, но деформировать или смять нельзя. Именно
поэтому прочность алмаза столь высока. В природе известны кристаллы с решёткой, состоящей
не из атомов, а из молекул. Если молекулы достаточно велики и связи между ними сильны, то
кристаллическая решётка оказывается чрезвычайно прочной. Этим условиям в полной мере
отвечают фуллерены: имея диаметр больше 0,5 нм, они соединяются в кристалл с ячейками
размером менее 1,5 нм. В начале 90-х гг. XX в. российские учёные сумели получить первые
образцы нового вещества — фуллерита. Это кристаллы размером 5—6 мм; их острые грани
царапают алмаз так же легко, как алмаз — стекло. Исследования показали, что существует, по
меньшей мере, два варианта «упаковки» молекул в кристалле фуллерита. В первом ячейки
повторяют форму тетраэдра, а во втором имеют форму куба с отдельным фуллереном внутри.
В этой небольшой камере были получены первые кристаллы фуллерита — вещества,
которое почти в два раза твёрже алмаза.
*Соленоид (от греч. «соле'н» — «трубка» и «э'йдос» — «вид») — цилиндрическая катушка,
состоящая из большого числа намотанных вплотную друг к другу витков проводника. При
пропускании электрического тока в ней возникает магнитное поле.
161
Острая грань кристаллика фуллерита царапает алмаз так же легко, как алмаз — стекло.
Кристаллы фуллерита уже сегодня могут стать материалом для изготовления
сверхтвёрдого инструмента.
Расстояние между молекулами в таких кристаллах меньше, чем расстояние между атомами в
решётке алмаза. Кроме того, в ячейках обоих видов есть «особый» фуллерен,
взаимодействующий с остальными через 12—16 очень коротких и сильных межмолекулярных
связей. Всё это и определяет необычайную твёрдость кристаллического фуллерита: она в два-
три раза выше твёрдости алмаза.
Уникальные качества нового вещества окажутся особенно ценными при изготовлении
приборов для измерения твёрдости материалов и «вечных» нестираемых покрытий. Кроме того,
из фуллерита можно делать такие инструменты для бурения скважин, обработки легированных
сталей, керамических материалов, камней (в том числе алмазов!), о которых технологи ещё
вчера могли только мечтать.
Пока нанотехнология делает первые шаги, но уже сегодня очевидно: исследования в этой
области — фундамент для техники принципиально иного уровня. Ведь создание нанотрубных
материалов по своей значимости сравнимо с освоением металла древним человеком. Возможно,
что нанотехнология — начало новой научно-технической революции, а мы стоим на пороге
века углерода.
ТЕХНИЧЕСКИЕ СРЕДСТВА ИССЛЕДОВАНИЯ НЕДР ЗЕМЛИ
Внутреннее строение Земли, вещества, из которых она состоит, изучают геология и геофизика.
Эти науки не только занимаются теоретическими вопросами, например зарождением и
эволюцией органической жизни, но и решают практические задачи. Геологи и геофизики
находят залежи полезных ископаемых, оценивают их запасы, определяют, какие способы
добычи будут наименее затратными. Цели у исследователей одинаковые, а вот методы разные.
ПОЛЕВАЯ ТЕХНИКА ГЕОЛОГОВ
Понять, как устроена наша планета, помогают так называемые обнажения — места, где видны
коренные горные породы (камень, глина, песок и др.). Геологи отбирают образцы таких пород.
Главный и традиционный инструмент для выполнения операции — молоток. Не случайно
старинный девиз исследователей недр Зем-
162
Буровая установка.
ли — «Mente et шаПео» (что в переводе с латыни означает «разумом и молотком»).
Установки для бурения скважин и приборы для определения состава пород появились
относительно недавно. Скважины сверлят долотами, навинченными на бурильные трубы.
Рабочая поверхность долота представляет собой кольцо; поэтому, вращаясь, инструмент
вырезает из породы цилиндрический образец — керн. Если двигатель подобной установки
находится на поверхности, он вертит всю колонку бурильных труб (роторный способ).
Двигатель, расположенный непосредственно у долота, приводится в движение либо
электричеством (подаётся по кабелю), либо потоком раствора глины, который вращает
турбину, соединённую с колонкой. Размолотую породу — шлам — выкачивают на поверхность
промывочной жидкостью (обычно вода с глиной), а керн остаётся внутри трубы. Колонку
бурильных труб периодически поднимают, чтобы сменить долото и вынуть керн.
ТЕХНИКА ГЕОФИЗИКОВ
Геологические методы позволяют исследовать только верхнюю часть земной коры — ведь
пробурить скважину более чем на несколько километров пока невозможно. Гораздо глубже
проникнуть внутрь Земли помогает геофизика. Эта наука исследует отклонения плотности,
магнитной восприимчивости, удельного электрического сопротивления, скорости
распространения упругих волн, теплопроводности, радиоактивности и других физических
свойств горных
АППАРАТУРА ДЛЯ ОБРАБОТКИ ГЕОФИЗИЧЕСКИХ ДАННЫХ
Полученные при проведении полевых измерений геофизические данные содержат помехи.
Выделить полезный сигнал — задача непростая, и решают её при помощи современной
вычислительной техники. Особенно сложна обработка сейсмической информации, прежде
всего из-за её большого объёма. Например, в сверхточной трёхмерной сейсморазведке записи
ведут станции, имеющие тысячи каналов; упругие волны возбуждают в разных точках
изучаемой площади. Одновременно регистрируется огромное количество сигналов,
расшифровать которые можно только в специализированных вычислительных центрах на
мощных электронно-вычислительных машинах. ЭВМ строят упрощённую математическую
модель реального геологического объекта, которая позволяет достаточно надёжно рассчитать
его структуру и составить прогноз для поиска месторождений.
Суперкомпьютер CRAY.
163
Сейсмические заряды для глубинной геофизической разведки.
пород от среднего значения, т. е. аномалии земных полей.
Для глубинного (до 10 000 м) изучения крупных частей суши и океанов, разведки
месторождений нефти, газа и твёрдых полезных ископаемых используют методы разведочной
геофизики. Они включают в себя гравиразведку, магниторазведку, электроразведку,
сейсморазведку, терморазведку, ядерную геофизику — всего свыше ста методов.
Проникнуть глубоко в недра планеты больше всего помогает сейсморазведка (от греч.
«сейсмо'с» — «колебание», «землетрясение») методом отражённых волн. Суть метода состоит
в следующем. В скважине или на поверхности земли производят взрыв, который рождает в
почве упругие волны. Такие волны бывают продольными (частицы вещества колеблются вдоль
направления распространения волны) и поперечными (колеблются поперёк хода волны). При
исследовании малых, порядка 10 м, глубин волны возбуждают ударами кувалды. Для
глубинной сейсморазведки раньше использовали взрывчатку, ныне чаще применяют вибросейс
— тяжёлую плиту, подвешенную к раме автомашины. Плиту толкает «газовый двигатель» (в
цилиндре взрывается смесь пропана с воздухом), и она ударяет по земле.
Упругие волны отражаются от подземных слоёв, возвращаются к поверхности, и там их
фиксируют сейсмоприёмники. При этом скорость волны в первую очередь зависит от состава
горной породы. В корпусе сейсмоприёмника есть сильный кольцевой магнит, в зазор которого
помещена лёгкая проволочная катушка, подвешенная на пружинках. Когда отражённая волна
доходит до приёмника, катушка начинает колебаться в поле магнита, и в ней возникает
переменное напряжение. Изме-
Установка для геофизических (сейсмических) исследований строения земных слоёв.
Монтируется на шасси автомобиля-вездехода «Урал-375». Глубина зондирования — до 7 км.
Штольня сейсмологической станции.
Аппаратура фиксирует даже самые слабые колебания почвы.
164
ГЕОФИЗИЧЕСКИЕ ИССЛЕДОВАНИЯ СКВАЖИН
Существует особый геофизический метод исследования скважин — каротаж. С его помощью
изучают физические свойства горных пород без отбора образцов. В скважину на кабеле
опускают приборы, которые измеряют излучения, температуру, электрическое сопротивление,
намагниченность и другие характеристики земной коры. В результате значительно
уменьшается время и стоимость бурения, так как инструмент с образцами керна через каждые
5— 10 м поднимать уже не нужно. Технику для скважинных исследований — каротажные
станции — устанавливают на автомашинах.
нения напряжения в точности повторяют упругие колебания почвы. С катушки сигналы
передаются на сейсмостанцию. Там, где проводят исследования, расставлены сейсмоприёмники
(до нескольких сот) на определённом расстоянии друг от друга. Вместе с проводами они
образуют сейсмические косы (иногда приёмники связывают со станцией миниатюрные
радиопередатчики). При глубинной сейсморазведке максимальное удаление приёмников от
станции может достигать нескольких километров.
Современная сейсмостанция для геофизической разведки — сложный измерительный
комплекс, специализированная электронно-вычислительная машина (ЭВМ), смонтированная на
одном-двух автомобилях. Сейсмоприёмники улавливают скорость волны до миллионной доли
метра в секунду. К каждому прибору волна приходит через некоторый промежуток времени, и
многоканальный самописец на сейсмостанции вырисовывает сложную картину системы
отражённых волн — сейсмический разрез. ЭВМ из всей этой путаницы линий выделяет нужные
сигналы, и по ним опытный геофизик может с уверенностью сказать, на какой глубине и под
каким углом положены, скажем,
165
После землетрясения. Остров Итуруп. Курильские острова. 1994г.
рудные пласты или слои, пропитанные водой.
Многоканальная запись позволяет непрерывно следить за упругими волнами разных типов и
разделять их. Записывают сигналы либо на рулонную бумагу, либо на широкую магнитную
ленту. Форма записи — аналоговая или цифровая. С помощью графопостроителей
(плоттеров) цифровые магнитограммы можно переписать в аналоговые.
Упругие волны возникают и в результате естественных деформаций земных недр
(землетрясений), приливных волн Мирового океана, движения крупных воздушных масс
(циклонов и антициклонов), оползней, ветра, дождя. Для регистрации упругих волн от
землетрясений в обсерваториях (их в мире свыше 200) применяют сейсмографы. Прибор
представляет собой инертную массу, подвешенную на пружине в жёстком массивном корпусе.
Упругие волны вызывают колебания корпуса, а инертная масса стремится остаться
неподвижной. Если к инертной массе подключить записывающее устройство (например, перо,
которое легко касается бумаги, намотанной на вращающийся барабан), получится
сейсмограмма — запись колебаний, произошедших от землетрясений. Кроме механической
записи применяют оптические и электромагнитные способы автоматической (обычно
круглосуточной) регистрации сейсмических волн.
При морской сейсморазведке чаще всего используют приёмники, работающие на основе
пъезоэффекта. Суть этого явления заключается в том, что на поверхности некоторых
кристаллов (например, кварца) под влиянием упругой деформации возникают электрические
заряды. Промышленные морские пьезоприёмники помещают в заполненный маслом
плавающий шланг, который тянется за судном. Упругие волны в толще воды вызывают
мощным искровым разрядом или выстрелом из газовой пушки. Морские пьезоприёмники
способны улавливать волны, создающие перепад давлений в миллионные доли атмосферы.
Ещё один метод современной геофизики — гравиразведка (от лат. gravis — «тяжёлый»). Он
основан на очень точном измерении силы тяжести Земли, т. е. гравитационного поля планеты.
Сила тяготения на поверхности создаёт ускорение g= 9,81м/с2, или 981 Гал. Но Земля не
однородный шар; в ней есть пустоты и области уплотнения, например залежи руды. Сила
тяжести над ними оказывается ли-
Вертикальный сейсмограф Голицына.
Основа сейсмографа — массивный маятник с горизонтальной осью, подвешенный на пружине.
Свободный конец маятника намагничен и помещён в катушку, соединённую с самописцем.
Когда от далёкого землетрясения приходит волна, почва вместе с основанием прибора
колеблется, а маятник, инерция которого очень велика, остаётся неподвижным. Магнит,
двигаясь относительно катушки, индуцирует в ней переменный ток, повторяющий колебания
почвы, и самописец рисует на бумажной ленте сейсмограмму.
*Атмосфера (от греч. «атмо'с» — «пар» и «сфа'йра» - «шар») — здесь единица давления.
**Гал — единица ускорения, принятая в геофизике; названа в честь Галилео Галилея. 1 Гал = 1
см/с2.
166
бо чуть меньше, либо чуть больше среднего значения. Эти изменения регистрируют
гравиметрами.
Полевые гравиметры предназначены для измерения разности между gH в наблюдаемой точке и
величиной go в некоторой исходной точке. Определяют go в опорных пунктах гравиметрической
сети страны, расположенных в городах и ряде крупных населенных пунктов. Чувствительный
элемент гравиметра — витая кварцевая пружина (иногда система пружин) или кварцевая нить.
Эталонная масса (грузик), подвешенная на такой пружине или нити, под действием силы
тяжести отклоняется от положения равновесия. С помощью компенсационных устройств
грузик приводят в то исходное положение, которое он занимал на опорном пункте, и по шкале
отсчитывают разность между go и gH. Чувствительность современных гравиметров составляет
от 0,1 до 0,01 миллигал.
В настоящее время точное распределение силы тяжести на суше и в Мировом океане получают
с помощью наблюдений за траекториями движения искусственных спутников Земли.
Гравитационные аномалии изменяют орбиту спутника, отклоняя её от расчётной. Эти
отклонения можно измерить методом лазерной локации и по ним рассчитать величину земного
ускорения в разных точках планеты.
С помощью магниторазведки изучают геомагнитное, или естественное магнитное, поле Земли.
Его величина зависит от размеров и глубины залегания намагниченных объектов, например
залежей железных руд. Магнитометрами (полевыми, самолётными или корабельными)
измеряют абсолютную величину магнитного поля либо его относительные значения, которые
сравнивают с измеренными в опорных пунктах. Характеристикой магнитного поля служит
напряжённость; она измеряется в эрстедах и гаммах. Напряжённость земного поля на
магнитном полюсе равна 0,65 Э, а на экваторе — 0,35 Э.
Первые приборы представляли собой намагниченную стрелку, подвешенную на упругой нити.
Величину её отклонения, прямо пропорциональную напряжённости измеренного поля,
определяли при помощи оптической системы. Приборы такого типа обеспечивают
чувствительность до 4—5 у.
Приборы второго поколения называются феррозондовыми (от лат. ferro — «железо» и фр.
sonde). Такое устройство представляет собой два стержня с обмотками, поверх которых надета
измерительная катушка. Когда на обмотки подают ток, стержни намагничиваются, и в катушке
возникает напряжение. Можно подобрать такую величину тока и его частоту, что поле катушки
скомпенсируется геомагнитным полем в опорном пункте, и напряжение не появится. Если
геомагнитное поле изменится (в другом пункте), изменится и намагниченность стержней;
соответственно в катушке появится сигнал. Чувствительность феррозондовых магнитометров
составляет 2—4 у.
Приборы третьего поколения, появившиеся в 60-х гг. XX столетия, используют уже квантовый
Полевой гравиметр (со снятой крышкой).
Вверху видна измерительная система, сделанная из кварцевого стекла.
*Миллигал (1 мГал = 0,001 Гал) — стомиллионная доля g (или 10'8 g).
**Единица напряжённости магнитного поля — эрстед (Э) — названа по имени датского физика
X. К. Эрстеда.
***Гамма (у) — стотысячная доля эрстеда (или 10'5 Э).
167
Аппарат для глубинного электромагнитного сканирования верхней части земной коры.
Опытный образец разработан и испытан учёными Института геофизики Сибирского
отделения Российской академии наук. Прибор может «заглянуть» на глубину до 50 м.
зависимость частоты электромагнитного излучения атомов вещества от внешнего магнитного
поля. Существует два типа таких приборов.
Протонные магнитометры содержат сосуд с водой или керосином (в молекулах этих
жидкостей много атомов водорода, ядра которых состоят из протонов). Сосуд помещён внутрь
катушки. Когда на её обмотки подают ток, жидкость намагничивается: протоны выстраиваются
вдоль поля катушки. Затем ток быстро выключают, и протоны начинают вращаться, как
волчки, вокруг силовых линий магнитного поля Земли. Крутящиеся протоны представляют
собой миниатюрные магниты; при их движении в обмотке возникает переменное напряжение,
частота которого определяется величиной геомагнитного поля в данной точке. Абсолютная
погрешность протонных магнитометров составляет около 1 у.
В квантовых оптических магнитометрах атомам газа энергию сообщают мощной световой
вспышкой. Полученную энергию атомы отдают, излучая электромагнитные волны с частотой,
прямо пропорциональной напряжённости магнитного поля. Точность этих приборов ещё выше
— ДО 0,1 у.
Землю изучают и методами электроразведки. В результате солнечного и космического
излучений, непрерывных ударов молний в землю (свыше 100 раз в секунду), химических и
физических реакций, приводящих к появлению электрических зарядов в горных породах и в
подземных водах, возникают природные электрические поля. Линии электропередачи, антенны
теле- и радиостанций создают искусственные поля. По характеристикам электрического поля
(например, по сопротивлению) исследователи научились различать горные породы и залежи
металлических руд. Впервые электроразведку для поиска полезных ископаемых применили в
конце XIX в. К. Барус (США) и Е И. Рагозин (Россия).
При работе методом кажущегося сопротивления в грунт вбивают два электрода и подключают
их к источнику постоянного тока. Возникшее электрическое поле исследуют при помощи
второй пары электродов, соединённых с вольтметром. По величине измеренного напряжения
рассчитывают сопротивление данного участка земной коры; оно даёт представление о его
строении.
При электромагнитной разведке на поверхности земли раскладывают кабель в виде петли и
пропускают через него переменный ток. В проводящих участках коры (например, в залежах
руды) он создаёт магнитное поле, по величине которого судят о размерах и положении залежей.
Магнитотеллурическими (от «магнит» и лат. tellus — «Земля») методами изучают
переменные электромагнитные поля Земли естественного происхождения. Магнитометры и
электрические датчики принимают излучения, приходящие с глубины в несколько километров.
Эти излучения дают достаточно полное представление о геологическом строении данной
территории.
Тепловые поля Земли, возникшие в результате сложных физических и химических процессов
(например, радиоактивного распада некоторых химических элементов), исследуют
тепловизорами. Их чувствительные элементы принимают инфракрасное (тепловое) излучение
глубинных пород. Излучение это очень сла-
168
бое, поэтому приёмники тепловизора охлаждаются жидким азотом или гелием до температуры
-200—230 °C. Принятые сигналы поступают на экран телевизора или фиксируются на
фотоплёнке. Распределение температур зависит от внутреннего строения планеты.
Горные породы «просвечивают» электромагнитными и акустическими волнами. По двум
соседним скважинам перемещают одновременно излучатель и приёмник. По тому, как
залегающие между скважинами породы поглощают волны, оценивают их электрические и
упругие свойства.
При радиолокационных исследованиях применяют георадары. Это устройство представляет
собой радиолокатор, который «светит» внутрь Земли. Почва и горные породы поглощают
радиоволны, поэтому проникают они только на глубину в несколько десятков метров. Антенна
георадара излучает радиоимпульс, который отражается от плотных пород и возвращается к
принимающей антенне. Скорость распространения радиоволн зависит от физических свойств
горных пород и жидкостей, их насыщающих (воды, нефти). Очень удобен георадар и для
инженерных нужд: он с большой точностью обнаруживает трубопроводы, кабели и подземные
сооружения.
Наблюдают за естественной радиоактивностью горных пород и воздуха с помощью гамма-
счётчиков и эманометров (от лат. ешапо — «вытекаю» и греч. «ме'трон» — «мера»). В
сцинтилляционных (от лат. scintillatio — «мерцание») счётчиках под действием радиации
возникают вспышки света, а фотоумножитель преобразует их в электрические сигналы,
которые затем усиливаются и регистрируются. Спектрометрические гамма-счётчики
позволяют узнать, какой элемент — уран или торий — был источником радиоактивного
излучения.
Известно, что урановые руды содержат радий, который выделяет бесцветный газ — радон. Газ
этот радиоактивен: он распадается, излучая альфа-частицы. Чтобы определить
мощность месторождения урановой руды, пробу воздуха, содержащего радон, закачивают в
эманометр, и прибор измеряет интенсивность альфа-излучения.
На горные породы воздействуют гамма-излучением или потоками нейтронов разных энергий.
Гамма-счётчики измеряют интенсивность вторичного гамма-излучения и энергию нейтронов. С
помощью нейтронных методов находят залежи соединений, содержащих водород (воду, нефть,
газ), металлов и редкоземельных элементов. Гамма-методами измеряют плотность пород и
определяют их элементный состав.
Портативная импульсная рентгеновская установка.
С её помощью исследуют движения нефти и воды в пористом камне при высоких
температурах и давлениях.
169
КАК ЛЮДИ УЗНАЮТ ТАЙНЫ ОКЕАНА
Океан всегда привлекал человека. Океан огромен, и древним мореплавателям он представлялся
бесконечным. На самом деле Мировой океан занимает 70,8 % поверхности земного шара, т. е.
почти в 2,5 раза больше, чем суша. В наше время океан — важнейший транспортный путь,
соединяющий
страны и континенты; его бороздят свыше 60 тыс. судов из разных стран. Кроме того, это
источник богатейших биологических ресурсов — растений и разнообразных морских
животных, в первую очередь рыбы. Ежегодный её улов достигает 70 млн. тонн. Под дном
океана скрыты месторождения нефти, газа, каменного угля, ценного минерального сырья
(например, руд, содержащих марганец, титан, медь, никель, кобальт, фосфор и др.).
Большое влияние оказывает океан на климат Земли. Поглощая основной поток солнечной
энергии, он служит гигантским аккумулятором тепла. Течения, несущие нагретые солнцем
экваториальные воды в высокие широты, смягчают климат холодных областей планеты. Из
океана же поступает и большая часть влаги; сначала она собирается в облака, а затем выпадает
на землю в виде дождей. Над океанскими просторами зарождаются разрушительные ураганы и
тайфуны.
Процессы, происходящие в глубинах и на поверхности океана, составляют предмет многих
наук. Эти исследования нужны для того, чтобы сделать безопасными мореплавание и
рыболовный промысел, разведку и добычу полезных ископаемых; чтобы прогнозировать
погоду на нашей планете. Например, учёные-океанологи изучают в разных районах Мирового
океана состав и температуру воды, скорость и направление течений, рельеф дна и строение
земной коры; наблюдают за планктоном, за поведением рыб и других морских животных.
ОПРЕДЕЛЕНИЕ ТЕМПЕРАТУРЫ И СОСТАВА МОРСКОЙ ВОДЫ
Исследование океана осуществляется с помощью специальных приборов и оборудования. Уже
в XIX в. для измерения температуры воды использовали особые термометры, а для взятия
V
Научно-исследовательское судно «Академик Мстислав Келдыш». Россия.
Водоизмещение — 6200 т: длина — 120 м: ширина — 17,8 м: скорость — 16 узлов (29,6 км/ч):
может брать на борт подводные глубоководные обитаемые аппараты «Мир-1» и «Мир-2»,
гидрофизические зонды и др. Пробы воды и грунта, образцы растительного и животного мира
океана изучают в 17 лабораториях, находящихся на корабле.
Глубоководный обитаемый подводный аппарат «Мир». Россия.
170
Гидрофизический зонд с кассетой батометров.
проб с различных глубин металлические сосуды — батометры (от греч. «ба'тос» — «глубина»
и «ме'трон» — «мера»). Было установлено, что температура поверхностного слоя воды зависит
от района океана и от времени года. У экватора она равна 25—28 °C, в средних широтах
колеблется от 0 до 20 °C. На глубине свыше 1000 м температура воды практически постоянна и
составляет от -2 до 5 °C. Состав растворённых в морской воде солей везде одинаков, меняется
только их концентрация, иначе говоря, солёность.
В настоящее время для определения температуры и состава морской воды на разных глубинах
применяют гидрофизические зонды. Этот прибор оборудован микропроцессорным комплексом,
измерительными датчиками и батометрами; его корпус способен выдерживать большое
давление воды. Опускают зонд на тросе при помощи судовой лебёдки. Во время погружения
микропроцессор поочерёдно включает датчики, преобразует их показания в цифровой код и
передаёт по кабелю на судно. Корабельный компьютер обрабатывает полученные данные и
выдаёт результаты в виде таблиц и графиков. Пробы воды батометры отбирают по команде
оператора судна. Измерения проводятся несколько раз в секунду.
ПРИБОРЫ ДЛЯ ИЗУЧЕНИЯ ОКЕАНСКИХ ТЕЧЕНИЙ
Изучение течений необходимо для составления прогнозов погоды и для выбора наиболее
благоприятных маршрутов судов и мест рыболовного промысла. На протяжении веков о
скорости и направлении течений судили, наблюдая за дрейфом судов и льдин, за
проплывающими предметами. Использование попутных течений и ветров помогало
мореплавателям преодолевать большие расстояния даже на несовершенных судах.
Океанские течения имеют различную природу. Одни вызываются ветрами и захватывают лишь
поверхностный слой воды. Другие, приливно-отливные, возникают на больших глубинах
вследствие притяжения Луны. Хорошо известны также течения в виде огромных тёплых и
холодных «рек». Например, тёплые течения Гольфстрим (в северной части Атлантического
океана) и Куросио (в Тихом океане) достигают 20 км в ширину и нескольких сот метров в
глубину. Эти гиганты несут экваториальные воды в Северное полушарие со скоростью,
достигающей 10 км/ч.
Современные устройства для изучения течений разнообразны по конструкции и принципу
действия. Среди них есть механические, ультразвуковые и электромагнитные. Наиболее
широко применяются электромеханические приборы, напоминающие маленькую мельницу,
лопасти которой вращает водяной поток. Некоторые приборы могут одновременно измерять
скорость течения, температуру, солёность воды и ряд других параметров.
Изучение течений в открытом океане — сложная техническая задача. В прибрежных зонах
исследования
171
Геологическая грунтовая трубка.
В верхней части трубки (диаметр 50 мм) установлен груз, иод тяжестью которого она
погружается на 10 — 20 м в толщу осадков. После подъёма трубки из неё извлекают колонку’
грунта, по которой изучают строение и состав верхнего слоя осадков.
проводятся с платформ, эстакад или судов, стоящих на якоре. Прибор просто опускают на тросе
на заданную глубину и по окончании работы поднимают на судно. Однако в открытом океане
под действием течения и ветра судно непрерывно движется, что ведёт к ошибкам в измерениях.
Поэтому учёные разработали специальные автономные буйковые станции (АБС). Такая
станция представляет собой маленькое судно без экипажа, оснащённое комплексом
измерительной аппаратуры и стоящее на якоре. Обычно АБС имеют форму диска или
цилиндра, чтобы лучше выдерживать штормовую погоду. Буи устанавливают и в прибрежных
зонах, и вдали от земли.
АБС производят регулярные измерения, а затем по каналам радиосвязи автоматически
передают полученные данные на берег. С появлением АБС учёные получили возможность
круглый год наблюдать за процессами, происходящими в толще океанских вод, изучать
циркуляцию воды в их поверхностных слоях, вести метеорологические наблюдения.
Однако АБС делают замеры лишь там, где сами находятся. Более полную информацию о
течениях дают дрейфующие буи. Радиопередатчики, установленные на буях, посылают сигналы
на искусственные спутники Земли. Последние определяют координаты дрейфующих буёв, а
затем каждые два-три часа передают эти координаты в береговые центры сбора данных. Так с
большой точностью определяется направление и скорость течения. Дрейфующие буи оснащены
приборами, измеряющими температуру воды и воздуха, а также атмосферное давление.
Показания приборов передаются на спутники.
ИЗУЧЕНИЕ ДНА ОКЕАНА
С древнейших времён мореплаватели измеряли глубину с помощью лота — бечёвки с метками
и грузом на конце. Её опускали за борт, как правило, на малых глубинах, где существует
опасность посадить судно на мель. В XX в. стали применять эхолот. Действие прибора
основано на способности звуковых волн распространяться в воде, отражаться от дна и
возвращаться на поверхность. Антенна эхолота посылает на дно звуковой импульс. Скорость
звука в воде известна — 1500 м/с. Чтобы определить глубину, нужно измерить время, за
которое сигнал проходит в обе стороны. Полученная информация регистрируется на
движущейся ленте бортового самописца. Измерения производят очень часто, поэтому на ленте
получается непрерывная линия, показывающая изменение глубины (а значит, рельеф дна) по
маршруту движения судна.
Для изучения рельефа на больших площадях были созданы многолучевые эхолоты,
охватывающие полосу в несколько километров шириной. Они посылают одновременно
несколько импульсов по обе стороны судна в виде веера.
Благодаря эхолотам учёные смогли «увидеть» сложный рельеф дна океана — гигантские
горные хребты, рифовые зоны, впадины, пики и вул-
Российский эхолот «Кристалл».
172
Геологическая драга.
Драгу используют там, где нельзя применять грунтовые трубки,— в местах выхода скальных
и вулканических пород. Волочась по дну, драга скалывает и собирает куски грунта.
каны, скрытые под многокилометровой толщей воды. На основании измерений, проведённых с
помощью этих приборов океанологами разных стран, были составлены карты рельефа дна
Мирового океана.
Учёные исследуют также состав и строение донного грунта. Например, удалось выяснить, что
часто дно океана покрыто толстым слоем осадков. Они накапливались в течение тысячелетий:
воды океана переносили материковый грунт, стоки рек, выбросы подводных вулканов. Для
изучения дна океана применяются различные геологические грунтовые трубки, буровые
установки, дночерпатели и драги. Их опускают с борта судна на тросе, захватывают образцы и
поднимают на поверхность.
Немало ценной информации получают, используя установки непрерывного сейсмического
профилирования. Принцип работы таких установок тот же, что и у эхолота; при этом
используется свойство звуковых волн низкой частоты проникать в толщу донных осадков.
На небольших глубинах применяются установки с высоковольтной батареей конденсаторов. Её
разряд,
пропущенный через два электрода, погружённые в воду, вызывает импульс излучения. При
глубинном зондировании дна в качестве источника звукового импульса используют воздушные
пушки, выстреливающие под воду воздух, сжатый до 10—15 атм. Проникающие в осадочную
толщу звуковые импульсы частично отражаются от находящихся в ней неоднородных
элементов, слоистых осадков и от земной коры. Отражённые сигналы принимают особые
микрофоны — так называемые сейсмические косы; их буксируют за судном. Результаты
полученных измерений отображает схема разреза осадочной толщи и рельефа дна по маршруту
судна. С помощью установок с высоковольтной батареей конденсаторов ведутся поиски
месторождений нефти и газа на дне моря.
ИССЛЕДОВАНИЕ ЖИВОТНОГО И РАСТИТЕЛЬНОГО МИРА ОКЕАНА
Биологи для изучения подводной флоры и фауны используют сходные с рыболовными сети и
донные тралы. Отлавливая планктон, рыб и другие организмы, собирая растения на разных
глубинах и в различных районах океана, учёные классифицируют полученные образцы (см.
статью «Систематика, или Как упорядочить разнообразие живого» в томе «Биология»
«Энциклопедии для детей»), составляют карты распределения видов, выявляют места,
благоприятные для рыболовного промысла, устанавливают допустимые размеры улова, исходя
из количества рыбы на данном участке океана. Создание глубоководных обитаемых подводных
аппаратов позволило учёным непосредственно наблюдать за океанической флорой и фауной. С
помощью таких аппаратов удалось обнаружить и исследовать ранее неизвестные геологические
структуры. Так были открыты подводные газовые фонтаны, бьющие на высоту
Планктонная сеть.
Сеть опускают на заданную глубину на тросе, а когда поднимают, в ней собирается
планктон.
173
до 300—400 м, названные «курильщиками». В Атлантическом океане на глубине 6000 м
найдены горячие источники с температурой более 100 °C, вокруг которых обитает огромное
количество морских организмов.
Для исследования океанского дна применяют и телеуправляемые подводные аппараты, связь с
которыми
поддерживается по кабелю. Они оборудованы телевизионными видеокамерами и источниками
света, перемещаются под водой при помощи электродвигателей и управляются оператором с
борта судна. На некоторых аппаратах установлены манипуляторы, позволяющие собирать со
дна животных и образцы грунта.
«МИР»
Глубоководный обитаемый подводный аппарат «Мир» предназначен для исследований на
глубинах до 6000 м; может находиться под водой в течение 80 часов. Длина — 6,8 м; ширина
— 3,6 м; высота — 3 м; диаметр сферического корпуса — 2,1 м; входной люк расположен в
верхней части. На борту «Мира» могут работать одновременно три человека. Экипаж
поддерживает постоянную связь с судном по гидроакустическому каналу. При погружении
аппарата балластные цистерны заполняются водой, а при подъёме на поверхность включаются
насосы и выкачивают воду. Ходовой электродвигатель (питается от аккумуляторов) позволяет
двигаться со скоростью до 9 км/ч; два боковых двигателя служат для маневрирования.
«Мир» оборудован телевизионной видеокамерой, фотоустановкой и мощными светильниками.
Два манипулятора отбирают образцы грунта, животных и растительности; пробы воды берут
батометры. Аппарат снабжён небольшой буровой установкой, что позволяет брать пробы
скального грунта. Для наблюдения есть иллюминаторы (диаметр центрального — 210 мм,
боковых — по 120 мм).
С помощью подводных аппаратов «Мир» были обследованы легендарный пароход «Титаник»,
затонувший на глубине 4000 м, и подводная лодка «Комсомолец», покоящаяся на дне
Норвежского моря.
Аппарат «Мир-1» на мостике «Титаника».
Деталь механизма «Титаника».
Обе фотографии сделаны с аппарата «Мир-2». 1991 г.
174
Запуск в 1957 г. первого искусственного спутника Земли, осуществлённый в СССР, открыл
новые возможности для наблюдения за океаном. Сегодня спутники круглосуточно передают
информацию о нём, в частности о границах льдов, тёплых и холодных течениях, температуре
верхних слоёв воды, скорости ветра у поверхности океана, силе его волнения. Из космоса
получают данные о районах скопления рыб, о растительности, местах загрязнения.
Кроме того, с помощью спутников был измерен уровень Мирового океана с точностью до 2 см.
Выяснилось, что уровень океана зависит от рельефа дна: он ниже над подводными горами и
выше над впадинами и желобами. Это объясняется тем, что сила земного притяжения у
массивных гор больше, чем возле впадин.
С помощью спутников ведут наблюдения за дрейфом буйков, движением льдов и айсбергов;
изучают миграцию китов, дельфинов, черепах (для этого к телу животного прикрепляют
миниатюрные радиопередатчики); собирают информацию с автономных океанографических
станций. Получаемые же со спутников фотографии облачности над океаном необходимы для
составления как можно более точных прогнозов погоды.
Геологический трал.
ТЕХНИКА ДЛЯ ИССЛЕДОВАНИЯ АТМОСФЕРЫ
Воздушная среда вокруг нашей планеты, или атмосфера, очень сложна для изучения. Она
находится в динамическом равновесии с океаном, внутренней Землёй (откуда постоянно
выделяются газы и изливается магма), космосом и биосферой. Исследует механизм этого
равновесия и прогнозирует изменение климата метеорология (от греч. «метеора» —
«атмосферные явления» и «логос» — «учение») — наука об атмосфере. Столь серьёзную
работу без специальной аппаратуры проводить невозможно: с помощью приборов определяют
направление движения воздушных масс, состав газовой среды, получают данные о химических
реакциях, происходящих под воздействием солнечного и космического излучений, и о многих
других процессах.
НЕМНОГО ИСТОРИИ
Первые метеорологические приборы появились, вероятно, очень давно. До нашего времени
сохранились трактаты учёных Античного мира с описанием прибора, который указывал
направление ветра (тогда считалось, что погоду во многом определяет именно ветер). Позже
это устройство назвали флюгером (от голл. vleugel — «крыло»). Прибор, измеряющий скорость
ветра, — анемометр (от греч. «а'немос» — «ветер» и «ме'трон» — «мера») — создали только в
XVII столетии в Англии.
Идея термометра (от греч. «те'рме» — «тепло» и «ме’трон»), барометра (от греч. «ба'рос» —
«тяжесть» и «ме'трон») и дождемера принадлежала итальянскому учёному Галилео
л
Старинный флюгер на башне кремля. Ростов Великий.
175
ЧТОБЫ СОСТАВИТЬ ТОЧНЫЙ ПРОГНОЗ погоды...
Данные о состоянии атмосферы, океана и суши, полученные на метеорологических,
аэрологических и радиолокационных станциях, а также со спутников, передаются сначала в
территориальные, затем в региональные и, наконец, в мировые метеорологические центры.
Мировых центров всего три — в Вашингтоне, Мельбурне и Москве. В американский —
поступают сведения из западной половины Северного полушария, в российский — из
восточной, а в австралийский — со всего Южного полушария. Центры непрерывно
обмениваются информацией по сети кабельной и спутниковой связи.
Обрабатывать такой гигантский поток информации традиционными способами стало
невозможно: в начале 80-х гг. ЭВМ ЕС-1065 выполняли всего лишь 20—30 млн. операций в
секунду.
В Гидрометцентре России (является региональным и мировым метеорологическим центром)
сегодня применяют высокопроизводительные вычислительные машины — суперкомпьютер
CRAY Y-MP8E (8 процессоров; тактовая частота — 6 нс; оперативная память — 2 Гб; память
на магнитных дисках — 62 Гб; пиковая производительность — 2,7 млрд, операций в секунду) и
CRAY Y-MP EL98 (2 процессора; тактовая частота — 32 нс; оперативная память — 256 Мб;
память на магнитных дисках — 12 Гб; пиковая производительность — 266 млн. операций в
секунду). Современные технические средства связи и оборудование позволяют специалистам
оперативно получать и обрабатывать
информацию непосредственно на своём рабочем месте, используя графические станции.
Например, сотрудник метеоцентра в Москве, лишь нажимая клавиши на клавиатуре
компьютера, может увидеть в реальном времени состояние атмосферы в Подмосковье и
ближайших областях: на экране монитора появятся карты опасных явлений погоды,
облачности, влажности, прогноза погоды.
Автоматизированное рабочее место прогнозиста. Гидрометцентр России. Москва.
Суперкомпьютер CRAY Y-MP8E. Гидрометцентр России. Москва.
176
Научные приборы середины XVII а.
1—5 — термометры. 6 — гигрометр.
Гравюра из книги Э. Торричелли
•Опыт получения живота «еребра» 1644 г.
Галилею. Термометр Галилей изобрёл в 1597 г. Он представлял собой стеклянный шар с
трубкой, один конец которой был погружён в воду. Изменение уровня воды в трубке
свидетельствовало о повышении или понижении температуры (о способности воздуха
расширяться при нагревании знали ещё в древности). К середине XVII в. термометры
значительно усовершенствовали: их стали наполнять спиртом и снабдили шкалой. А вот
барометр создал ученик Галилея — Эванджелиста Торричелли: он воплотил идею своего
учителя в жизнь.
КАК ИССЛЕДУЮТ АТМОСФЕРУ
В конце XX в., как и несколько столетий назад, важно знать, каковы температура воздуха,
атмосферное давление, влажность. Однако о процессах, протекающих не у поверхности Земли,
а на высоте в десятки километров, простые термометр и барометр рассказать не могут. Здесь на
помощь приходит сложная техника.
Чтобы получить подобные данные, используют радиозонды — приборы, включающие в себя
датчики температуры, влажности и давления, указатель высоты и радиопередатчики. Зонд
прикрепляют к наполненному водородом небольшому шару и запускают. Поднимаясь, он
непрерывно передаёт сведения о состоянии атмосферы на разных высотах (до 40 км и более).
Каждый год в мире отправляют в полёт около 300 тыс. таких шаров-зондов.
Для отбора проб воздуха и измерения интенсивности потоков заряженных частиц используют
большие шары-баллоны — грузоподъёмностью до 1 т. Запускают их часто с палубы корабля.
Чтобы не мешал сильный ветер, оболочку наполняют гелием в специальном контейнере — его
форма повторяет форму шара. Когда контейнер раскрывается, шар устремляется ввысь вместе с
необходимой аппаратурой.
Запуск радиозонда на метеорологической станции.
Ежесуточные аэрологические наблюдения за давлением, температурой, влажностью и
ветром проводятся с помощью системы радиозондирования, установленной на шарах-зондах.
Плотность сети станций зависит от степени населённости территорий.
Ав><>млтический метеомимллекс. Томск.
Применяется на стационарных и передвижных метеостанциях для определения
температуры воздуха, скорости ветра и его направления, давления. влаж