Тема 2.1. Розвиток техніки і наукових знань у середині ХVІІІ – 70-х рр. ХІХ ст

Причини і початок промислового перевороту у ХVІІІ ст. У середині ХVІІІ ст. здійснюється розвиток науки і техніки, який привів до індустріальної революції (промислового перевороту), тобто процесу переходу від ручної праці до машинної. Він розпочався у різних країнах неодночасно. Спочатку відбувалося зародження елементів машинної техніки в умовах мануфактурного виробництва. Перший етап промислового перевороту розпочався в Англії на початку 70-х рр. ХVІІІ ст. і був пов’язаний з поширенням машин у текстильній промисловості. Але ці машини приводились у дію за рахунок сили вітру, води або тварин.

Другий етап починається зі створення у 80-х рр. ХVІІІ ст. другої парової машини Джеймса Уатта – машини подвійної дії універсального призначення.

Вирішальний, третій етап припадає на перші два десятиріччя ХІХ ст. й пов’язаний з технічними досягненнями в галузі металургії та металообробки.

Під час четвертого етапу (20–30-ті рр. ХІХ ст.) відбувається переворот на транспорті та у засобах зв’язку. Починається використання пароплавів, паротягів та телеграфу.

П’ятий етап охоплював 40-і рр. ХІХ ст., коли відбувалося впровадження технічних удосконалень у гірничу промисловість і сільське господарство.

Промисловий переворот у Великій Британії був пов’язаний з накопиченням вільних капіталів внаслідок торгівлі з колоніями та розвитком мануфактурного виробництва. Другою причиною став аграрний переворот, який позбавив селян землі й забезпечив робочі руки для промисловості.

Створена англійським винахідником Джеймсом Харгрівсом прядильна машина, названа на честь його доньки «Дженні», була удосконаленим варіантом машини Джона Уайєта, у якої витяжні валики були замінені рухомим затискачем, що складався з двох брусків дерева і був розташований на каретці. Ручна праця ткача була замінена механічною.

Перший паровий насос сконструював капітан королівського флоту Томас Севері. Коваль Томас Ньюкомен побудував паровий насос з циліндром і поршнем і відокремив їх від котла, а для передачі й перетворення руху застосував балансир. Англійський винахідник Джеймс Уатт розташував циліндр у паровій оболонці, а конденсація пари здійснювалась в окремому конденсаторі. Винахідник отримав 5 патентів на пристрої, які вирішували проблеми перетворення поступального руху на обертальний. Машини Уатта випускалися серійно і використовувались у багатьох галузях виробництва різних країн.

1800 р. дія патентів Уатта закінчилась. З’явилося багато винахідників, які внесли у будову парової машини зміни і вдосконалення. Її потужність зросла з 20–30 к.с. у 1830 р. до 1000 к.с. у 1870 р., а ККД подвоївся (з 5% до 10%).

Розвиток металургійної галузі та виникнення машинобудування. Перетворення машини на товар сприяло розвитку машинобудування як окремої галузі промисловості. Англійський винахідник Генрі Модслі у 1794 р. винайшов хрестовий супорт (утримувач різця) для токарного верстата. Через 3 роки він побудував токарно-гвинторізний верстат зі змінним рухом гвинта. Модслі застосував часткову стандартизацію виготовлення гвинтів. Його верстат виявився незамінною машиною у будь-якій токарній справі. Роботу з вдосконалення гвинтових стандартів закінчив учень Модслі Джозеф Вітворт.

Значення металу як основного матеріалу для виготовлення машин і механізмів у ХІХ ст. значно зросло. Технічний переворот у металургійній промисловості полягав у винайденні нової технології для отримання чавуну й вдосконалення його переробки у залізо. Ще у ХVІІІ ст. в Англії було винайдено спосіб заміни використання у доменному виробництві деревного вугілля спеціально переробленим кам’яновугільним коксом. У Російській імперії виплавка чавуну на мінеральному паливі здійснювалась на Луганському, Керченському, Лисичанському металургійних заводах.

Зростання продуктивності металургійного виробництва було пов’язане також з підігрівом повітря, яке подавалось у домну. Повітряний нагрівач вперше був застосований Джеймсом Нілсоном (патент 1828 р.). Однак проблема підвищення ККД доменної печі остаточно була вирішена лише з винайденням способу використання відвідних газів для підігрівання повітря у спеціальних пристроях – кауперах, вперше застосованих у 1857 р. англійським винахідником Едуардом Каупером.

Проблема отримання ливарної сталі була вирішена у 1856 р. англійським винахідником Генрі Бесемером, який запропонував спосіб переробки рідкого чавуну на сталь шляхом продування через нього повітря в конверторі. Чавун перетворювався на сталь внаслідок окислення кремнію, марганцю та вуглецю.

Проблему переробки пудлінгового заліза на сталь вирішив у 1864 р. французький металург П’єр Мартен. Він використав розроблений ще 1856 р. німецьким інженером Фрідріхом Сіменсом принцип регенерації тепла продуктів згоряння й застосував його для підігрівання повітря й газу. Винахідник зміг отримати температуру в печі, достатню для виробництва сталі.

Від бесемерівського методу мартенівський відрізнявся невеликою продуктивністю, але давав можливість контролювати склад і якість готової сталі. Конкуренція між бесемерівським і мартенівським методами тривала майже 100 років і закінчилася на користь конвертора після того, як почали продувати кисень крізь рідкий метал.

Однорідність металу досягалася за допомогою прокатки. 1862 р. англійський механік Джордж Бедсон побудував прокатний стан, який мав значну виробничу потужність завдяки автоматичній подачі металу від однієї пари валків до іншої та великі швидкості їх обертання.

У ХІХ ст. для віджимання шлаку та ущільнення металу застосовувалися досить недосконалі важільні молоти. Англійський механік Джеймс Несміт у 1839 р. запропонував використовувати з цією метою парові молоти. Їх вдосконалення здійснювалося шляхом підвищення потужності, що призводило до сильних ударів, які струшували землю навколо цехів і заводів. Проблему могла вирішити заміна парових молотів гідравлічними пресами. Інженер Дж. Газвел 1861 р. побудував і встановив у залізничних майстернях Відня такий прес потужністю 700 тонн для штампування деталей для паротяга.

Технічний переворот на транспорті й у засобах зв’язку. У ХІХ ст. розвиток залізничного транспорту йшов трьома основними напрямами: 1) створення рейкових колій; 2) зміни у засобах тяги; 3) створення пристосованих для рейкових шляхів вагонів.

Хоча першу спробу застосування парових локомотивів на рейкових шляхах здійснив шотландський інженер Ричард Тревітік, але проблему створення парового залізничного транспорту вирішив англійський винахідник Джордж Стефенсон. Він першим розглянув рухомий склад і рейковий шлях у нерозривному зв’язку. Свій перший паротяг Blücher він сконструював у 1814 р., а вже через 10 років 16 різних локомотивів перевозили вантажі на невеликих приватних дорогах. Найбільш відомим паротягом Стефенсона була Rocket (1829), яка мала машину потужністю 13 к.с., важила 4,5 т і тягнула 17-тонний потяг зі швидкістю 21 км/год, а з пасажирським вагоном на 36 осіб досягала швидкості 38 км/год.

Перша залізниця на Британських островах завдовжки 61 км була побудована у 1818 р. між містами Стоктон і Дарлінгтон. 1830 р. у США з’явилася залізниця Чарльтон – Огеста (64 км). Невдовзі новий вид транспорту набув поширення у Франції, Бельгії, Німеччині, Австрійській та Російській імперіях. Зокрема, на півдні останньої з 1865 р. відкрився рух потягів на ділянці Одеса – Балта завдовжки понад 200 км.

У зв’язку з розвитком залізничного транспорту виникає нова галузь промисловості – транспортне машинобудування. Залізниці з’єднали старі промислові центри, а також дали змогу розпочати освоєння віддалених територій та залучити їх до економічного життя.

Застосування парового двигуна у кораблебудуванні пов’язане з ім’ям винахідника Роберта Фултона, який 1803 р. випробував на р. Сені перший пароплав. Але уряд Франції не надав винахіднику коштів, і він змушений був переїхати до США, де у 1807 р. побудував пароплав Clermont, який плавав по р. Гудзон з Нью-Йорка до Олбані (278 км). Успіху Фултона сприяло те, що він замовив в Англії двигун потужністю 20 к.с. у Бірмінгемі на фірмі Boulton & Watt, і всі зусилля зосередив на конструюванні пароплава з гребними колесами. На річкових суднах така схема застосовувалася до середини ХХ ст.

1819 р. вперше на трансатлантичну лінію з Америки до Європи вийшов пароплав Savannah, який долав відстань за 26 діб. Через три роки на лінії Лондон – Гавр з’явився корабель з металевим корпусом.

Чеський винахідник Йозеф Рессель 1826 р. розпочав досліди з гребним гвинтом, який встановив на 5-тонному човні. Австрійський уряд його не підтримав, і Рессель переїхав до Італії, де на кошти мецената Фонтано у 1829 р. побудував гвинтовий пароплав, який здійснював регулярні рейси між Трієстом і Венецією. Починаючи з 40-х рр. ХІХ ст. гвинт почав успішно витісняти гребні колеса на морському транспорті. 1874 р. відбувся останній рейс океанського колісного пароплава.

Розвиток економіки потребував не лише нових видів транспорту, але й нових засобів зв’язку. Після того, як у 1820 р. данський учений Ханс Крістіан Ерстед відкрив дію струму на магнітну стрілку, виникла реальна можливість створення нового виду зв’язку – електромагнітного телеграфу. 1832 р. російський учений Петро Шиллінг здійснив передачу першої телеграми з 10 слів за допомогою електромагнітного телеграфу. Остаточно електромагнітний телеграф почав використовуватися після робіт англійського професора Чарльза Уітсона, російського академіка Бориса Якобі, американського винахідника апарату зі спеціальною абеткою Самуеля Морзе, автора літеродрукувального пристрою, британського інженера Девіда Едуарда Юза.

Розпочався швидкий розвиток телеграфної мережі як всередині країн, так і за їх межами. У 1847–1852 рр. було прокладено морський кабель під Ла-Маншем, і почала діяти пряма телеграфна лінія між Лондоном і Парижем. 1855 р. було прокладено кабель через Середземне і Чорне моря, а з 1866 р. запрацювала телеграфна лінія зв’язку між Лондоном і Нью-Йорком.

Створення класичного природознавства. Загальний стан природознавчих наук у першій половині ХІХ ст. характеризувався розвитком окремих галузей науки та використанням результатів їхніх досліджень у виробництві, головним чином для створення машин і механізмів. На відміну від попередніх етапів, у ХІХ ст. як в окремих галузях, так і природознавстві загалом все більше стверджується ідея загального взаємозв’язку явищ природи. Природознавство перетворюється на єдину науку про природу, внутрішньо пов’язану, починаючи від науки про прості форми руху (механіки) до астрономії, фізики, хімії та біології. Замість довільного поділу природи починається наукова диференціація природознавства.

Розвиток науки приводить до розширення галузі застосування математичних знань. Використання, в першу чергу, математичного аналізу стає обов’язковою умовою розвитку механіки неперервних середовищ, теорії електрики і магнетизму, термодинаміки, теорії пружності. Використання і дослідження теоретичних основ математичного аналізу приводить до розвитку теорії диференціальних рівнянь у частинних похідних і, особливо, теорії потенціалу. Велике значення в розробці цих розділів відіграли німецькі вчені – Карл Фрідріх Гаусс, Петер Диріхлє, французькі – Огюстен Коші, Жан Батист Фур’є, Симеон Дені Пуассон, англієць Джордж Грін, українець Михайло Остроградський.

На основі поглибленої теорії границь виникає обґрунтування математичного аналізу, що мало також вплив на застосування математики у природознавстві. У цій галузі помітних успіхів досягли Бернард Больцано, норвезький математик Нільс Генрік Абель та німець Карл Вейєрштрасс.

Незалежно один від одного французький математик Жан Робер Арган і данський – Каспар Вессель дали геометричне тлумачення комплексного числа. У подальшому була сформульована загальна теорія функцій комплексної змінної. Важливе значення в цій галузі мали праці О. Коші, К. Вейєрштрасса і Георга Рімана.

У середині ХІХ ст. сформувалася нова математична дисципліна – векторна алгебра. У першу чергу її поява відповідала потребам фізики і механіки. Помітний внесок у розвиток цієї галузі зробили німецький математик Герман Грассман та англійський – Вільям Роуен Гамільтон.

У ХІХ ст. з’являються розділи математики, які на момент появи не були пов’язані з якимись практичними потребами. Але згодом вони стають основою нових галузей науки. Так, російський математик Микола Лобачевський 1826 р. і угорський – Янош Бойяї 1832 р., а ще раніше Гаусс – незалежно один від одного відхилили можливість доведення аксіоми Евкліда про паралельні лінії за допомогою інших аксіом і дійшли висновку, що через одну точку, яка не знаходиться на даній прямій, проходять щонайменше дві прямі, які лежать з даною прямою в одній площині й не перетинають її.

Ідеї цих учених отримали подальший розвиток у працях німецького математика Г.Рімана. 1854 р. у лекції «Про гіпотези, які лежать в основі геометрії» він розглянув узагальнену геометрію, для якої простір геометрії Лобачевського є частковим випадком. У своїх працях Ріман обґрунтував загальне поняття багатовимірного простору, елементами якого можуть бути об’єкти будь-якої природи, і визначив шляхи застосування методів диференціальної геометрії для вивчення таких просторів. Ці ідеї випередили час і були застосовані лише у ХХ ст., після створення теорії відносності у дослідженні фізичного простору.

На основі класичної алгебраїчної задачі про розв’язання рівнянь вищих степенів сформувалась одна з важливих галузей математики – теорія груп. Її започаткував Жозеф Луї Лагранж, хоча у ХІХ ст. розвитком цієї теорії займалося багато учених.

На початку ХІХ ст. подальшого розвитку набула будівельна механіка. Вона розвивалася шляхом застосування законів опору матеріалів та його фундаменту – теорії пружності. Так, значних успіхів у розрахунку склепінь домігся Шарль Огюстен Кулон. Йому також належить розв’язання задачі про міцність балок. Він відкрив існування дотичних напруг, що дозволило згодом створити особливу теорію міцності. Кулон дав перше розв’язання задачі про скручування.

Виникнення машинобудування, створення машин з великими швидкостями обертання різних частин поставили перед ученими завдання вивчення їх у стані руху. До кінця 30-х рр. ХІХ ст. у самостійну науку виділилася механіка машин, в якій вирізнялися напрямки досліджень з кінематики та динаміки машин. Останні ґрунтувались, з одного боку, на загальному вивченні машин, а з іншого – на дослідженнях теоретичної механіки, яка отримала класичну форму завдяки працям Леонарда Ейлера та Жозефа Луї Лагранжа. На середину ХІХ ст. французькими вченими були вирішені основні завдання динаміки машин.

Дослідження кінематики механізмів посилилось у 40–50-х рр. ХІХ ст., що стимулювалось швидким розвитком текстильної промисловості та винайденням нових механізмів. Англійські (Р. Вілліс, Т. Тет та ін.) і французькі (Ш. Лабеле, Ш. Жиро, Ж.-Б. Беланже) учені створили теорію передач і почали пошуки загальних методів вивчення споріднених груп механізмів. Німецька школа машинознавства успішно розвивала конструкторсько-технологічний напрямок вивчення машин, який виявився найбільш плідним для вирішення практичних завдань. Ці дослідження заснували дисципліну, яка згодом отримала назву «деталі машин».

На середину ХІХ ст. практична механіка як теоретична основа вивчення машин включала: 1) передачу та зміни руху, або механізми машин; 2) вимірювання сили, теорію двигунів і динамічну теорію машин; 3) будову машин, засновану на теорії опору матеріалів.

Застосування гідравлічного обладнання і гідротехнічних споруд та необхідність їхнього вдосконалення прискорили розвиток гідравліки. Вона розвивалася, спираючись, з одного боку, на теоретичні положення гідродинаміки, а з іншого – на досягнення гідротехнічної практики. Гідравліка розвивалася переважно як експериментальна наука.

Значні зрушення у ХІХ ст. відбулись у вивченні парових машин та їхніх елементів. Становлення наукових засад теплотехніки було тісно пов’язане з історією парового двигуна, яка у свою чергу обумовлювалась розвитком теплотехнічної практики та розширенням теоретичних знань про властивості робочого тіла, про процеси у машинах, про методи побудови технічних засобів.

Дослідження властивостей водяної пари дозволило визначити шляхи нової енергетики. З’ясувалося, що використовуючи водяну пару в якості робочого тіла двигуна, можна отримати механічну роботу. Відкриття фізиків визначили й ранні форми нових генераторів механічної енергії – пароатмосферні поршневі двигуни, оскільки було відомо, що нагріта пара має більшу «пружну силу», а завдяки її конденсації створюється вакуум, що забезпечує перепад тиску, який необхідний для здійснення механічної роботи.

Подальші дослідження були стимульовані численними працями винахідників з дослідження універсального парового двигуна. Німецький учений Густав Антон Цейнер, використовуючи дослідження Анрі Реньо (40-і рр. ХІХ ст.), розробив повну й систематичну теорію насиченої водяної пари з виведенням усіх необхідних формул та складанням таблиць її властивостей. Наслідком наукових досліджень й практичних розробок було збільшення одиничної потужності та підвищення економічності паросилових пристроїв.

Дослідження парових двигунів привело до створення основних засад термодинаміки – науки, що вивчає закони теплової рівноваги та перетворення тепла на інші види енергії. Одним із засновників термодинаміки був французький учений Саді Карно. Аналізуючи циклічний тепловий процес, він показав, що у парових машинах корисна робота може бути отримана лише при переході тепла від більш нагрітого тіла до менш нагрітого. Рудольф Клаузіус розглянув цикл Карно і довів, що його висновок є вираженням загального закону про те, що тепло не може переходити саме по собі від більш холодного тіла до більш теплого. Клаузіусу належить також впровадження поняття ентропії – однієї з основних термодинамічних величин.

У 1800–1830 рр. внаслідок вивчення електричних і магнітних явищ закладаються основи електротехніки: був відкритий електричний струм, почалося вивчення його дії, встановлено низку закономірностей у галузі електромагнетизму, зроблено перші кроки у практичному застосуванні електрики.

На межі ХVІІІ–ХІХ ст. Алессандро Вольта дійшов висновку, що джерелом електрики є контакт двох різнорідних металів, і створив перше джерело постійного струму. Його вольтів стовп (1799) був найпростішою батареєю гальванічних елементів з однією рідиною. Досить швидко вчені різних країн за рахунок дослідів з вольтовим стовпом дізнались про хімічні, теплові, світлові та магнітні властивості електричного струму, змогли отримати, використовуючи електролітичний метод, невідомі до цього часу хімічні елементи.

Вчені працювали над дослідженням магнітної дії струму. У 1820 р. було виявлено явище намагнічування провідника струмом, який проходив через нього (Д.Ф. Араго), а також встановлено закон дії струму на магніт (Ж.Б. Біо, Ф. Савар), який пояснював обертальний характер руху провідника відносно магніту або магніту відносно провідника. Значним науковим досягненням цього періоду було розроблення основ електродинаміки та встановлення електричної природи магнетизму (А. Ампер). Вивчаючи закономірності в електричному колі та виходячи з аналогії між рухом електронів та тепловими або водяними потоками, Георг Симон Ом 1826 р. відкрив відомий закон електричного кола, який носить його ім’я.

Початок нового етапу в електротехніці розпочинається 1831 р., коли англійський вчений Майкл Фарадей відкрив явище електромагнітної індукції. Це відкриття поповнило фізику новим об’єктом – фізичним полем. З цього часу індукційні явища стають провідною темою фізичних досліджень, починається вивчення електромагнітних коливань, які становлять науковий фундамент електротехніки змінних струмів та радіотехніки.

Вчення про електрику було першою наукою, на основі якої створювалась промисловість електричних приладів, апаратів і машин. Виникнення нового виду технічних засобів з самого початку було нерозривно пов’язане з відкриттям нових фізичних законів. Праці Ампера, що привели до відкриття законів електродинаміки, дослідження Фарадея, які дали змогу сформулювати закони електромагнітної індукції, не лише встановили тісний зв’язок між електричними і магнітними явищами, але й заклали принципові основи створення електричного двигуна та електричного генератора. Ці дослідження, як і праці їхніх наступників (передусім Д.К. Максвелла), стали фундаментом електротехніки.

Одним з важливих наукових досягнень цього періоду було відкриття закону збереження та перетворення енергії. Весь хід історичного розвитку науки і практики привів до того, що до цього відкриття майже одночасно підійшли С. Карно (Франція), Ю.Р. Майєр і Л.Г. Гельмгольц (Німеччина), Дж.П. Джоуль (Англія).

Таким чином, діяльність людства зі створення технічних засобів і технологічних процесів, використання природознавчих законів у практичній діяльності привели до виникнення й розвитку технічних наук. З початку виникнення технічні науки, у свою чергу, почали здійснювати вплив на розвиток усіх галузей техніки, на поглиблення і поширення наукової діяльності. Процес створення об’єктів техніки отримав у ХІХ ст. цілеспрямований характер, наслідки діяльності людини ставали передбачуваними.

Розвиток виробництва підготував також глибокі зміни у хімічній науці. Зокрема у ХІХ ст. сформувались наукові поняття про атом і молекулу. Розвиваючи праці попередників англійський учений Джон Дальтон на початку ХІХ ст. ввів у хімію поняття про атом. Згодом італійський учений Амадео Авогадро 1811 р. висловив гіпотезу про те, що в одному молі будь-якої речовини за однакових температури і тиску міститься одна й та сама кількість молекул. Таким чином, запроваджувалась відмінність між атомом і молекулою. Закон Авогадро дозволив визначити молекулярну вагу будь-якої речовини. 1859 р. Густав Кірхгоф і Роберт Бунзен започаткували дослідження в галузі спектрального аналізу. Остаточно розмежував поняття атома і молекули італійський хімік Станіслао Канніццаро, який запропонував спосіб написання хімічних формул і реакцій, яким користуються й сьогодні.

У цей період завдяки працям французького ученого Шарля Фредеріка Жерара, англійського – Едуарда Франкленда, та С. Канніццаро було встановлено одне з найважливіших понять хімії – поняття валентності, тобто здатності атома з’єднуватися лише з чітко визначеною кількістю інших атомів при утворенні молекули нової речовини.

Найвизначнішим досягненням хімії середини ХІХ ст. було відкриття російським ученим Дмитром Менделєєвим 1869 р. періодичного закону хімічних елементів та складання ним відповідної таблиці. Періодична система була значним узагальненням у галузі хімії та фізики. За її допомогою був встановлений взаємозв’язок між усіма елементами, передбачено існування ще невідомих елементів та їхніх властивостей; на її підставі були відкриті закономірності властивостей хімічних з’єднань різних елементів.

Розвиток природознавства у ХІХ ст. значною мірою вплинув і на біологію. У 50-х рр. з’явилась клітинна теорія, згідно якої основою будови й розвитку живих організмів є клітина – одна з форм організації живої природи. Засновниками клітинної теорії були німецькі вчені Теодор Шванн та Маттіас Шлейден. Їх дослідження, проведені у 1838–1839 рр., показали, що як тваринні організми, так і рослини складається з клітин. Згодом працями багатьох учених з різних країн була доведена подібність будови й походження тваринних і рослинних клітин.

Засновником еволюційної теорії був англійський учений Чарльз Дарвін. 1859 р. побачила світ його книга «Походження видів шляхом природного відбору». Автор виклав основні положення свого вчення, яке стало наслідком усього попереднього розвитку наукової думки й досліджень живої природи. Головне у вченні Дарвіна – теорія природного відбору. Згідно цієї теорії, види, з їх відносно доцільною організацією, створювались і створюються шляхом відбору й накопичення властивостей, корисних для виживання організмів у даному середовищі. Дарвін встановив, що зміни викликаються дією умов життя. Його відкриття рушійних сил історичного розвитку живої природи (природний відбір) мало велике значення для подальшого розвитку біологічної науки.

Отже, особливістю даного періоду було зміцнення зв’язку науки з виробництвом. Становлення фабричної промисловості сприяло формуванню науки як продуктивної сили. Її роль стає визначальною у матеріальному виробництві, а сама наука набуває виробничо-практичних функцій. Результатом промислового перевороту було виникнення сучасної матеріальної цивілізації з її новими засобами транспорту і зв’язку, фабриками і заводами.