камерон краткая история. 5 Моим внукам Лукасу, Марго Лиль, Киле, Грэхему Зэйн
 Скачать 12.31 Mb.
|
|
240 241-затели технической эффективности своих британских конкурентов. В целом, однако, на протяжении этого периода не произошло крупных технических прорывов, сопоставимых по значению с серией инноваций последней трети XVIII в. Однако это не относится к другим отраслям. Множество наиболее революционных технологических прорывов произошло значительно позднее условной даты окончания индустриальной революции в Великобритании. Источники и производство энергии Когда в 1800 г. истек срок основного патента Уатта, в Великобритании работало немногим более 500 его двигателей, а на континенте — всего несколько дюжин. Несмотря на всю фундаментальность своего вклада в развитие паровой техники, двигатели Уатта имели множество ограничений в качестве источника механической энергии. Прежде всего, их коэффициент полезного действия был довольно низким, обычно менее 5% (т.е. они совершали менее 5% теоретически возможного объема работы при данном объеме потребленной тепловой энергии). В среднем их мощность не превышала 15 лошадиных сил, что было лишь немногим больше мощности хорошей ветряной или водяной мельницы. Они были тяжелыми, громоздкими и часто ломались. Наконец, они работали на относительно низком давлении, которое ненамного превышало атмосферное, что в значительной степени ограничивало их эффективность. В качестве причин подобного положения можно указать на несовершенство научного знания, недостаточную прочность металлов, использовавшихся при их изготовлении, и недостаток точных инструментов. Следующие пятьдесят лет были свидетелями множества важных усовершенствований в технологии парового двигателя. Свой вклад в ее развитие внесло использование более легких и прочных металлов, более точных механических инструментов, а также развитие научного знания, включая механику, металлографию, термостатику и теорию газов, а также зачатки термодинамики. Хотя возможно, что ученые больше «учились» у парового двигателя — кульминацией чего явилось формулирование Гельмголь-цем в 1847 г. первого закона термодинамики — чем внесли вклад в его развитие, их достижения нельзя не принимать в расчет. Однако авторами первых усовершенствований были практики — механики и инженеры, такие как корнуолец Тревизик и американец Оливер Эванс, которые сконструировали и опробовали двигатели на высоком давлении, которые Уатт считал небезопасными и непрактичными. Эти и другие эксперименты привели к началу использования силы пара для приведения в движение пароходов и паровозов, что имело фундаментальные последствия для развития транспорта. Множество двигателей использовалось и в промышленности. К 1850 г. во Франции было более 5000 стационарных паровых двигателей, в Бельгии — около 2000, в Германии — 241 242 почти 2000 и в Австрийской империи — примерно 1200. Хотя точные цифры отсутствуют, возможно, что Великобритания имела больше паровых двигателей, чем все континентальные страны вместе взятые. Еще в 1838 г. только текстильная промышленность (которая, однако, была самым крупным их потребителем) использовала более 3000 двигателей. Для сравнения, Соединенные Штаты в 1838 г. имели менее 2000 стационарных паровых двигателей во всех отраслях экономики. Мощь и эффективность паровых двигателей также в огромной степени выросли. Двигатели мощностью от 40 до 50 л.с. были обычным явлением, а мощность некоторых превышала 250 л.с. Коэффициент полезного действия был в три раза выше, чем у лучших двигателей Уатта. Были разработаны компаунды, двигатели двойного и тройного действия. К I860 г. большие морские компаунды могли развивать мощность в более чем 1000 л.с. Технологический прогресс имел место и в развитии главного соперника парового двигателя на первом этапе его использования — водяного колеса. С 1760-х гг., в то время как Уатт экспериментировал с паровым двигателем и совершенствовал его, другие инженеры и изобретатели обратили свои усилия на усовершенствование водяного колеса. Они ввели новую, более эффективную его конструкцию, а в результате падения цен на железо в употребление вошли большие цельнометаллические колеса. В начале XIX в. некоторые большие водяные колеса могли развивать мощность свыше 250 л.с. Более того, в 1820 — 1830 гг. французские ученые и инженеры изобрели и усовершенствовали гидравлическую турбину, высокоэффективное устройство для превращения силы падающей воды в механическую энергию. Хотя этот факт часто не получает адекватного осмысления, но использование силы воды достигло своего пика в третьей четверти XIX в. (если не рассматривать использование гидроэлектрогенераторов, которое началось позже). Только примерно после 1850 г., а в более выраженной форме после 1870 г., энергия пара окончательно победила своего конкурента. К концу XIX в. были достигнуты пределы мощности возвратно-поступательного парового двигателя; некоторые морские компаунды тройного действия достигали мощности в 5000 л.с. Однако даже эти громадные машины были неадекватны новейшему применению силы пара — выработке электроэнергии. Прежде всего, максимальная скорость вращения коленчатого вала, которой мог достичь возвратно-поступательный двигатель, была слишком низкой и не соответствовала значительно более высоким скоростям, которых требовала динамо-машина, или электрический генератор. Кроме того, эффективной выработке электричества препятствовала вибрация такого двигателя. Решение этих проблем было найдено в паровой турбине, изобретенной в 1880-х гг. британским инженером Чарльзом Парсонсом и шведским изобретате- 242 леи Густавом де Лавалем. Новое устройство быстро совершенство-алось, и к началу XX в. стало возможным вырабатывать более 100 тыс. киловатт на одной установке. Явление электричества было известно еще в древности, но даже в XVIII в. к нему относились как к курьезу. К концу столетия исследования Бенджамина Франклина в Америке и итальянцев Луиджи Гальвани и Алессандро Вольта, изобретшего гальваническую батарею, подняли статус электричества от салонного развлечения до предмета лабораторных исследований. В 1807 г. сэр Хэмфри Дэви открыл электролиз, т.е. способность электрического тока разлагать химические соединения в водных растворах, что дало толчок развитию гальванотехники. Следующий этап в изучении электричества связан с именами ученика Дэви Майкла Фарадея, датского физика Ханса Эрстеда и французского математика Андре Ампера. В 1820 г. Эрстед обнаружил, что электрический ток создает магнитное поле вокруг проводника, что привело Ампера к формулированию количественной взаимосвязи между электричеством и магнетизмом. В период 1820—1831 гг. Фарадей открыл явление электромагнитной индукции (выработки электрического тока при вращении магнита внутри катушки металлической проволоки) и изобрел примитивный ручной генератор. Основываясь на этих открытиях, в период 1832 — 1844 гг. Сэмюэль Морзе в США создал электрический телеграф. Однако промышленное использование электричества сдерживалось отсутствием экономически эффективного генератора. Ученые и инженеры экспериментировали со множеством устройств для выработки электричества, и в 1873 г. один владелец бумажной фабрики в южной Франции подсоединил свою гидравлическую турбину, стоявшую на реке, текущей с Альп, к динамо-машине. Это на первый взгляд простое усовершенствование имело важнейшие долговременные последствия, поскольку оно дало возможность регионам, не имевшим запасов угля, но богатым водными ресурсами, удовлетворить свои потребности в энергии. Изобретение паровой турбины в последующее десятилетие ликвидировало зависимость производства электричества от водных ресурсов и сдвинуло энергетический баланс вновь в пользу угля и пара. Тем не менее, развитие гидроэнергетики стало событием огромной важности для бедных углем стран, находившихся ранее в арьергарде промышленного развития. Одновременно развивалось множество направлений практического применения электроэнергии. С 1840-х гг. электричество стало использоваться в гальванотехнике и в телеграфной связи. В 1850-х гг. в маяках стали применяться дуговые лампы, и к 1870-м гг. они уже использовались на множестве фабрик и складов, в театрах и в общественных зданиях. Совершенствование электрической лампы накаливания, созданной почти одновременно в 1878 — 1880 гг. Джозефом Сваном в Англии и Томасом Эдисоном в Соединенных Штатах, сделало дуговые лампы устаревшими и произвело бум в элект- 243 рической промышленности. В течение нескольких последующих десятилетий электричество ожесточенно конкурировало с двумя другими, незадолго до этого усовершенствованными осветителями — угольным газом и керосином. Электричество имело множество иных применений, помимо освещения. Оно является одной из наиболее универсальных форм энергии. В 1879 г., в том же году, когда Эдисон запатентовал свою электрическую лампу, Вернер фон Сименс в Германии изобрел электрический трамвай, имевший революционные последствия для развития общественного транспорта в бурно растущих мегаполисах того времени. В течение нескольких лет электромоторы нашли широчайшее применение в промышленности, и изобретатели даже начинали задумываться о создании домашних электроприборов. Электричество также можно использовать для выработки тепла, в связи с чем оно нашло применение при выплавке различных металлов, особенно открытого незадолго до того алюминия. Нефть является еще одним основным источником энергии, который вошел в употребление во второй половине XIX в. Хотя она была известна и спорадически использовалась и ранее, ее коммерческая эксплуатация началась с бурения скважины Дрейка в Титу свилле, Пенсильвания, в 1859 г. Как и электричество, жидкая нефть и побочный продукт ее добычи, природный газ, использовались первоначально для освещения. Сырая нефть состоит из нескольких компонентов, или «фракций». Среди них керосин считался сначала наиболее ценным из-за возможности его применения в осветительных лампах. Другие фракции использовались как смазочные материалы, спрос на которые быстро рос по мере распространения машин с движущимися частями, а также для медицинских целей. Более тяжелые фракции, первоначально рассматриваемые как отходы, со временем стали использоваться в домашнем и промышленном отоплении наравне с углем и другими традиционными источниками энергии. Самые легкие и летучие фракции, лигроин и бензин, долгое время рассматривались как опасные побочные продукты. Однако в это время ряд изобретателей и инженеров, особенно немцы Николас Отто, Карл Бенц и Готфрид Даймлер, проводили эксперименты с двигателями внутреннего сгорания. К 1900 г. появилось несколько вариантов таких двигателей, большинство из которых использовало в качестве топлива один из продуктов перегонки нефти, таких как бензин и дизельное топливо. Самой важной областью применения двигателей внутреннего сгорания стали транспортные средства — легковые автомобили, грузовики и автобусы. В руках таких предпринимателей, как французы Арман Пежо, Луи Рено и Андре Ситроэн, англичанин Уильям Моррис и американец Генри Форд, автомобилестроение превратилось в одну из самых важных отраслей промышленности XX в. Двигатель внутреннего сгорания имел также 244 245 и промышленное применение, а в XX в. он сделал возможным развитие самолетостроения. Дешевая сталь 245 К началу XIX в. коксовая плавка и пудлингование для производства чугуна и передела его в сварочное железо были распространены в Великобритании фактически повсеместно, что давало британским металлургам существенное преимущество перед иностранными конкурентами. В конце XVIII в. во Франции и прусской Силезии под королевским покровительством были предприняты попытки ввести коксовую плавку, но ни одна из этих попыток не оказалась успешной в экономическом отношении, а в неразберихе революции и наполеоновских войн никаких дальнейших экспериментов в этой области не проводилось. С наступлением мира после 1815 г. металлурги континента стали активно внедрять пудлингование и прокатный метод для передела чугуна в сварочное железо, но из-за относительной разницы цен на древесный и коксующийся уголь на континенте и в Великобритании переход к коксовой плавке происходил медленнее. Первые эффективные коксовые доменные печи на континенте были построены в Бельгии (в то время входившей в королевство Объединенных Нидерландов) в конце 1820-х гг. Несколько французских металлургов стали применять кокс в 1830 — 1840 гг., но этот процесс не стал доминирующим вплоть до 1850-х гг. В Германии коксовая плавка вводилась еще медленнее, и прорыв произошел только в 1850-х гг. В Соединенных Штатах, с их огромными запасами леса для производства древесного угля и альтернативой коксу в виде антрацита восточной Пенсильвании, коксовая плавка не получила широкого распространения вплоть до окончания Гражданской войны. В других странах Европы — в Швеции, Австро-Венгрии, Италии и частично в России — продолжали работать небольшие предприятия, использовавшие древесный уголь. Единственной крупной технологической инновацией в металлургической промышленности первой половины XIX в. была горячая домна, запатентованная шотландским инженером Джеймсом Б. Нельсоном в 1828 г. Путем использования отводных газов для предварительного нагревания воздуха, используемого в доменной печи, горячая домна обеспечила более полное использование топлива, снизила его потребление и ускорила процесс плавки. Она вскоре стала применяться металлургами в Шотландии, на континенте и даже в Соединенных Штатах, но в Англии и Уэльсе она распространялась медленнее. Наиболее значительные технологические нововведения, повлиявшие на развитие черной металлургии, произошли во второй половине столетия и касались производства стали. Сталь фактически является особой разновидностью железа: она содержит меньше 245 246 углерода, чем чугун, но больше, чем сварочное железо. Из-за этого она отличается меньшей хрупкостью, чем первый, но тверже и прочнее, чем второе. Она производилась на протяжении многих столетий, но в небольших количествах ввиду высокой стоимости, так что ее применение было ограничено такими высококачественными изделиями, как напильники, часовые пружины, хирургические инструменты, клинки и точные режущие инструменты. В 1856 г. Генри Бессемер, английский изобретатель, запатентовал новый метод производства стали напрямую из расплавленного железа, минуя процесс пудлингования, в результате чего получался более качественный продукт. Выпуск бессемеровской стали быстро возрастал и вскоре она заменила обычное железо в различных областях применения. Однако бессемеровский процесс не обеспечивал одинаково высокое качество стали и не мог быть использован для выплавки фосфорсодержащих руд. Для исправления первого недостатка в 1860-х гг. французские металлурги, отец и сын Пьер и Эмиль Мартены, а также братья Сименсы, Фридрих в Германии и Вильгельм в Англии, разработали модель печи, получившей название мартеновской. Она работала медленнее и при более высоком уровне издержек, чем бессемеровская, но вырабатывала высококачественную сталь. В 1878 г. английские металлурги — двоюродные братья Сидней Д. Томас и Перси К. Гилкрист запатентовали «основной» процесс (названный так ввиду использования известняка или других «основных» — в химическом смысле термина — материалов для облицовки бессемеровского конвертера или печи с открытой топкой для нейтрализации окиси фосфора в руде), что позволило использовать значительные запасы фосфорсодержащей железной руды. В результате этих и других инноваций ежегодное мировое производство стали выросло с менее полумиллиона тонн в 1865 г. до более 50 млн тонн накануне Первой мировой войны. Рост сталелитейной промышленности оказал огромное влияние на другие отрасли, как на те, что снабжали ее сырьем (например, угольную), так и на те, которые использовали сталь. Стальные рельсы для железных дорог служили дольше и были безопаснее, чем железные. Использование стальных листов в судостроении привело к появлению больших, более легких и быстрых судов, а также обеспечило возможность изготовления тяжелой брони для военных кораблей. Использование стальных балок сделало возможным строительство небоскребов и множества других сооружений. Сталь вскоре заменила железо и дерево в производстве инструментов, игрушек и сотен других изделий, начиная от паровых двигателей и кончая шпильками для волос. Транспорт и коммуникации Паровой локомотив и железные (или стальные) рельсы в большей степени способствовали ускорению процесса экономичес- 246 кого развития, чем какое-либо другое технологическое нововведение XIX в. Они были и символами, и инструментами индустриализации. До появления железных дорог главным препятствием для индустриализации как в континентальной Европе, так и в Соединенных Штатах было отсутствие адекватных средств сообщения. Лишенные естественных водных путей, сыгравших столь важную роль в развитии Великобритании, и сдерживаемые наличием огромных пространств, которые необходимо было преодолевать, континентальные и американские промышленники оказались зажатыми в рамках местных рынков, дававших мало возможностей для растущей специализации и использования дорогого производственного оборудования. Железная дорога и, в меньшей степени, пароход изменили положение вещей. Железные дороги представляли собой более дешевый, быстрый и надежный вид транспорта. Кроме того, за время их строительства, примерно с 1830 г. до конца столетия, предъявляемый ими спрос на железо, уголь, древесину, кирпич, машины и механизмы дал мощный стимул для развития отраслей-поставщиков. Как отмечалось в предыдущей главе, к концу XVIII в. британские угольные шахты уже имели многие мили железных дорог, по которым вагоны двигались под действием силы тяжести либо приводились в движение лошадьми или людьми. Открытие дороги между Стоктоном и Дарлингтоном в 1825 г. возвестило о наступлении эры железных дорог, а дорога Ливерпуль —Манчестер, первая регулярная грузовая дорога, специально построенная для использования паровых локомотивов, была введена в строй в 1830 г. После этого британская сеть железных дорог стала развиваться стремительными темпами. У Великобритании были и технический опыт, и финансовые ресурсы, необходимые для их сооружения. Под влиянием либеральных идей в экономической политике, которые незадолго до этого стали господствующими, парламент с готовностью утверждал хартии частных акционерных компаний. Спекулятивные и строительные горячки («мании», как они стали называться) неизбежно приводили к финансовым кризисам. Тем не менее, к 1850 г. Великобритания построила более одной четверти ныне существующей сети железных дорог, почти столько же, сколько все остальные европейские страны вместе взятые (см. Таблицу 8.2). Франция, Австрия и Соединенные Штаты имели к 1830 г. короткие железные дороги на лошадином ходу (а во Франции было также несколько миль паровой железной дороги). Что касается Соединенных Штатов, то они обогнали даже Великобританию и соперничали со всей остальной Европой по длине сооруженных железных дорог. Их строительство опиралось на европейский капитал и поставки, а также огромный энтузиазм частных инвесторов, правительств штатов и органов местного самоуправления в стремлении соединить транспортной сетью огромные пространства страны. Однако многие из железных дорог были построены плохо, а их технические параметры значительно отличались. 247 248 Таблица 8.2 |