В середине XVIII – 70-х гг. XIX в

Причины и начало промышленного переворота в XVIII в. На средину XVIII в. приходится ускорение развития науки и техники, которое, в свою очередь, привело к промышленному перевороту. Вследствие этого решающего преобразования произошел переход от ручного мануфактурного производства к фабрично-заводской промышленности.

В XIX в. в своем наиболее развитом виде техническое оснащение фабричного производства получило вид совокупности технологических машин, которые приводились в действие от одной центральной паровой машины через разветвленную сеть передаточных механизмов. Но переворот не ограничился только промышленностью, где он начался, а затронул все сферы производства, в том числе сельское хозяйство и транспорт. Он имел также важные социальные последствия, в частности появление новых классов общества, вызвал явление урбанизации, наконец оказал влияние на все стороны жизни и быта людей. Поэтому иногда, чтобы подчеркнуть масштабность, глубину и скорость процесса, его называют также индустриальной революцией.

Промышленный переворот начинался в разных странах неодновременно, охватывал не все отрасли экономики и в неодинаковой последовательности. Во всех странах сначала наблюдалось зарождение элементов машинной техники в условиях мануфактурного и ремесленного производства.

Промышленный переворот происходил в несколько этапов. Его первый этап начался в Англии, передовой на то время стране мира, на рубеже 60–70-х гг. XVIII в. и был связан с изобретением и распространением новых рабочих машин в английском текстильном производстве. Однако развитое машинное производство еще не сформировалось, машины приводились в действие вручную или за счет силы животных или воды.

Второй этап начинается созданием в 80-х гг. XVIII в. второй паровой машины Джеймса Уатта – машины двойного действия универсального назначения, а впоследствии ее распространением в различных отраслях обрабатывающей и добывающей промышленности.

Решающий третий этап приходится на первые два десятилетия XIX в. и связан с техническими достижениями в области металлургии и металлообработки. В это время в Англии начинается переработка чугуна на железо с помощью пудлингования и использование станков Генри Модсли с самоходным суппортом.

Во время четвертого этапа (20–30-е гг. XIX в.) происходит переворот в средствах транспорта и связи. Начинается массовое использование пароходов и паровозов.

Пятый этап охватывает конец 30-х – 40-е гг. XIX в. и связан с внедрением технических усовершенствований в горной промышленности и сельском хозяйстве.

В XIX в. в промышленный переворот, кроме Англии, включились и другие страны мира – Франция, США, Германия, Австрийская и Российская империи. Но особенностью промышленного переворота в этих странах было то, что каждый из этапов отставал на 10–20 лет от Англии. В Российской империи это отставание было еще большим в связи с поздней отменой крепостного права. Промышленный переворот закончился тогда, когда произошел переход к производству машин машинами (возникло машиностроение), что обеспечило необходимые технические условия для победы крупной индустрии.

Машины изменили весь существовавший до сих пор способ производства и вытеснили рабочих: они изготавливали товары дешевле и лучше, чем могли это создать рабочие с помощью своих несовершенных средств труда. В условиях машинной индустрии технические средства, технология и организация производственного процесса были свободны от жесткой ориентации на возможности работника. Разделение технологического процесса на элементы операций было предпосылкой новой структуры производства, которая учитывала прежде всего его объективные факторы. Тем самым создавались условия для того, чтобы проблемы, которые возникали, решались на базе научных достижений. Процесс производства начал базироваться на применении науки, а сама наука превратилась в фактор производственного процесса.

Развитие торговли Великобритании с колониями привело к накоплению в стране значительного количества денежной массы. Ее владельцы искали возможности выгодного вложения капиталов. С другой стороны, владельцы крупных централизованных мануфактур пытались найти средства для их расширения и совершенствования. Когда процесс развития мануфактур подготовил создание машин, наличие свободных капиталов обеспечило их быстрое распространение и практическое использование.

Другой причиной стал аграрный переворот, который обеспечил рабочие руки для промышленности. Бывшие крестьяне, потерявшие землю, переселились в города, что привело к формированию рынка рабочей силы, а также к увеличению спроса на продукты питания и товары массового потребления.

Технические изменения в текстильной промышленности Англии были связаны с работами Джона Уайетта и Джеймса Харгривса. Созданная Харгривсом прядильная машина, названная в честь его дочери «Дженни», была усовершенствованным вариантом машины Уайетта, где вытяжные валики были заменены подвижным зажимом, состоявшим из двух брусков дерева, расположенных на каретке. Ручной труд ткача был заменен механическим. Дальнейшее развитие прядильных машин было связано с именем Ричарда Аркрайта. Его машина была рассчитана на механическую движущую силу, которая использовала принцип непрерывности работы. Совместить преимущества машин Харгривса и Аркрайта удалось ткачу Сэмуэлю Кромптону. Полностью механизировать работу текстильных машин удалось Ричарду Робертсу, который изобрел автоматическую прядильную машину периодического действия.

Текстильные машины стали устанавливать в больших зданиях и приводить в действие силой воды. Одной из первых фабрик была прядильная фабрика, организованная Аркрайтом в Крамфорде. Уже в XVIII в. было совершенно ясно, что дальнейшее развитие промышленности тормозится отсутствием универсального двигателя, поскольку использование водяного колеса заставляло строить мануфактуры на реках, а не вблизи источников сырья или рынков сбыта готовой продукции.

Первый паровой насос сконструировал капитан королевского флота Томас Севери для откачки воды из рудников и шахт. Этот насос работал без поршня: всасывание воды осуществлялось путем конденсации пара и созданием разреженного пространства. Соотечественник Севери кузнец Томас Ньюкомен усовершенствовал машину своего предшественника. Он построил паровой насос с цилиндром и поршнем и отделил их от котла, а для передачи и преобразования движения применил балансир. Насосы Ньюкомена, кроме Англии, работали в Австрии, Бельгии, Франции, Германии, Венгрии и Швеции. Последняя машина Ньюкомена была демонтирована на угольных шахтах Англии в 1934 г. Но ее применение было возможно лишь для подъема воды, поскольку машина не могла действовать без связи двигателя с насосом. К тому же ее КПД был незначительным.

Новым этапом развития паровой техники стали работы английского изобретателя Джеймса Уатта. Два года он посвятил совершенствованию машины Ньюкомена и, наконец, нашел решение проблемы, создав собственную. Нововведения Уатта заключались в размещении цилиндра в паровой оболочке. Конденсация пара осуществлялась в самостоятельном конденсаторе, который постоянно должен был находиться в охлажденном состоянии.

В конце XVIII в. эти паровые машины использовались для откачки воды из шахт, а также для нагнетания воздуха в печи на металлургических заводах. Уатт занялся созданием машины для привода механизмов вращения, следствием чего было получение им пяти патентов на устройства, которые решали проблему преобразования возвратно-поступательного движения во вращательное. В итоге он разработал такой тип паровой машины двойного действия с непрерывным вращательным движением, которая долгое время не менялась и лишь совершенствовалась.

Изобретение Уатта способствовало быстрому распространению паровых машин в начале XIX в., особенно в хлопчатобумажной, металлургической, угольной и металлообрабатывающей промышленности. Производство паровых машин было налажено во многих странах: Франции, Германии, Бельгии, Голландии, США, России, но Англия сохраняла ведущие позиции в этой области до середины XIX в.

В 1800 г. действие патентов Уатта закончилось. Появляется много изобретателей, которые внесли в устройство паровой машины усовершенствования и изменения. В 1807 г. Генри Модсли построил первый двигатель без балансира. В 30-е гг. XIX в. возникла идея применения перегретого пара, которая на практике была осуществлена в 50-х гг. Густавом Адольфом Гирном. Он теоретически разработал проблему перегрева и построил перегреватель, который повышал температуру пара на 100°С. Распространение перегрев получил в 60-е и особенно в 90-е гг. XIX в., когда его стали применять в сочетании с высоким давлением.

В течение всего XIX в. паровая машина занимала господствующее положение в энергетике крупной промышленности и транспорта. Вследствие постепенных усовершенствований, сделанных многими изобретателями и конструкторами, ее мощность возросла с 20–30 л.с. в 1830 г. до 1000 л.с. в 1870 г., а КПД удвоился (с 5 до 10%). Для такого успеха нужно было мобилизовать все практические и научные знания.

В середине XIX в. наряду с открытиями, внедренными в производство, появились изобретения, которые оказали заметное влияние на развитие техники в последующие периоды. В 1860 г. во Франции изобретатель Ленуар создал двигатель, работавший на газе. На Парижской выставке в 1867 г. немецкие изобретатели Отто и Ланген продемонстрировали двигатель, который потреблял значительно меньше газа, нежели модели их предшественников. Вскоре в Германии появился завод по производству промышленных двигателей внутреннего сгорания.

Развитие металлургической отрасли и возникновение машиностроения. После изобретения и создания универсального теплового двигателя основной задачей дальнейшего промышленного развития стало техническое переоснащение машиностроения. Большие возможности, которые появлялись перед промышленностью с внедрением рабочих машин и универсального двигателя, могли реализоваться лишь тогда, когда машиностроение было способно поставлять всем отраслям промышленности специальные машины в большом количестве. Преобразование машины на товар собственно и положило начало развитию машиностроения как отрасли промышленности.

Для того, чтобы токарный станок (основное техническое средство при обработке металлов) превратился в рабочую машину, нужно было разработать и внедрить в производство держатель резца (суппорт). Генри Модсли в 1794 г. изобрел крестовый суппорт к токарному станку. С его внедрением станок начал действовать с совершенством, недоступным даже самой искусной человеческой руке.

В 1797 г. Модсли построил токарно-винторезный станок с переменным ходом винта. Изготовленные в то время вручную винты имели произвольную нарезку резьбы, что значительно усложняло ремонт станков. Модсли применил частичную стандартизацию изготовления винтов. Его станок оказался незаменимой машиной в любой токарной работе. Он отличался точностью и не требовал больших физических усилий со стороны человека. Работу по усовершенствованию винтовых стандартов завершил ученик Модсли Джозеф Витворт.

Технический переворот в машиностроении стал основным стимулом для развития металлургии. Значение металла как основного материала для изготовления машин и механизмов значительно возросло, но существующий при мануфактуре способ получения железа уже не мог удовлетворить потребности производства. Технический переворот в металлургии начался, во-первых, с изобретения и внедрения в производство новой технологии получения чугуна, во-вторых, с технического совершенствования переработки чугуна в железо.

Еще в XVIII в. в Англии был изобретен способ использования в доменном процессе вместо древесного угля специально переработанного каменного – кокса. В Российской империи первые попытки применить каменный уголь в доменном производстве были осуществлены в 1795 г. на Луганском чугунолитейном заводе. Организация выплавки чугуна на минеральном топливе была начата в 1845 г. в Керчи, где была построена доменная печь для работы на антраците.

В XIX в. начали внедряться в производство новые системы воздуходувок, что позволило значительно увеличить размеры доменных печей и ускорить процесс доменной плавки. Это в свою очередь привело к резкому повышению выплавки чугуна. Так, в 1809 г. Шарль Каньяр де Ла-Тур изобрел новые воздуходувки, которые начали устанавливать на многих заводах. С середины XIX в. начинают внедряться центробежные воздуходувки, которые обеспечивали доменное производство необходимым количеством воздуха.

Дальнейший рост производительности доменных печей происходил за счет подогрева воздуха, который подавался в домну. Доменный воздухонагреватель впервые был применен Джеймсом Нилсоном (патент 1828 г.). Первые опыты нагрева воздуха до 150–300° позволили сократить до 40% затраты топлива и значительно повысить производительность доменных печей. Однако проблема повышения КПД доменной печи была решена лишь с изобретением способа использования отводимых газов доменной печи для подогрева воздуха в специальных устройствах – кауперах, предложенных в 1857 г. англичанином Эдуардом Каупером. Его изобретение имело большое значение для развития черной металлургии и привело к изменениям в конструировании домен и технологии доменного процесса.

Совершенствование выплавки чугуна привело к несоответствию между количеством чугуна, получаемым из домны, и возможностью его переработки на железо. Эта проблема была решена после изобретения процесса пудлингования (смешивания), который пришел на смену кричному процессу переработки чугуна в железо, поскольку оказался в 10 раз продуктивнее.

К 1870-м гг. индустрия преимущественно потребляла чугун и железо. Сталь в то время производилась, но способы ее массового производства не были известны. Изготовлялась главным образом тигельная сталь, стоимость которой в 5 раз превышала стоимость железа. Технический переворот в металлургии стали состоялся только в середине XIX в. Больших успехов достиг в этой области инженер Златоустовского завода в Российской империи Петр Аносов, который значительно усовершенствовал способ производства высококачественных марок стали. Он предложил метод, где сочетались процессы плавки и насыщения стали углеродом. Им впервые в мировой практике был применен метод газовой цементации металла. Сегодня этот метод применяется во всех странах. В 1837 г. Аносов совершил переплавку чугуна на сталь как с добавлением железа, так и без него.

Быстрое развитие железнодорожного строительства, переход морского транспорта от деревянных кораблей к металлическим, растущий спрос на железо и сталь со стороны военной промышленности и машиностроения стимулировали увеличение их производства, выдвинули повышенные требования к качеству металла.

Проблема массового получения литой стали была решена в 1856 г. английским изобретателем Генри Бессемером, который предложил переработку жидкого чугуна на литую сталь путем продувки через него сильной струи воздуха в специальном резервуаре – конвертере. Происходило выгорание углерода, примесей кремния и марганца и получалась сталь.

Современники высоко оценили метод Бессемера, поскольку его изобретение совпало с тем периодом, когда в Европе и Америке быстрыми темпами строились железные дороги. Бессемеровская сталь соответствовала всем техническим требованиям к рельсам. Так, в США 14 новых городов были названы Бессемер.

Французские инженеры Эмиль и Пьер Мартен в 1864 г. предложили применить отражательную печь для получения стали. Они использовали изобретение немецких инженеров Фридриха и Вильяма Сименсов – созданную ими для нужд стекольной промышленности специальную газовую печь. На заводе Сарэйль во Франции Э. и П. Мартен построили первую регенеративную печь, в которой смогли получить температуру, достаточную для выплавки стали.

От бессемеровского метода производства мартеновский отличался прежде всего небольшой производительностью, но давал возможность контролировать состав и качество готовой стали. Конкуренция между конверторным (бессемеровском) и мартеновским (печным) методами продолжалось почти 100 лет и завершилась в пользу конвертора, когда начали продувать через расплавленный металл кислород. Открытия в области металлургии Аносова, Бессемера, Э. и П. Мартен нашли впоследствии распространение во многих странах мира.

Еще одной проблемой, которой занимались изобретатели XIX в., было достижение полной однородности металла, что должно было обеспечивать определенные его механические свойства. Но это было трудно осуществить при пудлинговании. Возникла необходимость в дополнительной операции – прокатке. При этом процессе в металле, находившемся в пластическом состоянии, уничтожались первичные крупные зерна, благодаря чему он становился более плотным и однородным по своему составу. Операцию прокатки нужно было механизировать. Кроме того, она имела важное значение при производстве сортового металла (рельсы, швеллеры, балки). Большим достижением в этой области было создание и практическое применение непрерывных прокатных станов. Эту идею реализовали английские механики из Манчестера Джордж Бедсон и Чарльз Уайль. В 1862 г. Бедсон построил непрерывный прокатный стан, который имел большую производительность благодаря автоматической подаче металла от одной пары валков к другой и большой скорости их вращения.

При пудлинговании применялись обжимные и ковочные молоты с целью отжима шлака и уплотнения металла. В начале XIX в. для этого использовались весьма несовершенные рычажные молоты. Английский механик Джеймс Несмит в 1839 г. предложил использовать паровой молот. Дальнейшее его совершенствование шло путем механизации и еще большего повышения мощности. В общем, изобретение прокатного стана, который приводила в действие паровая машина, и создание парового молота завершили техническое переоснащение металлургии на этом этапе.

Однако развитие крупных паровых молотов выявило ряд их недостатков, которые в первую очередь заключались в сильных ударах, сотрясавших землю вокруг цехов и заводов. Проблему могли решить гидравлические прессы. В 1861 г. инженер Дж. Газвелл построил и установил в железнодорожных мастерских Вены такой пресс для штамповки паровозных деталей. Первые прессы имели мощность 700, 1000 и 1200 тонн.

Технический переворот на транспорте и в средствах связи. Начало XIX в. ознаменовалось работами по созданию принципиально новых сухопутных средств передвижения – парового железнодорожного транспорта. На тот период возникли не только экономические, но и технические условия, позволявшие решить эту проблему. Уже был накоплен опыт применения паровой машины Дж. Уатта. Во многих странах Европы использовали различные типы рельсовых путей. В первую очередь это касалось горной и металлургической промышленности.

Развитие железнодорожного транспорта шло тремя основными направлениями: 1) возникновение и распространение рельсовых путей; 2) изменения способа тяги; 3) развитие специально приспособленных для рельсового пути вагонов. Работы в этих направлениях велись одновременно во многих странах мира.

Первым к идее применения паровых локомотивов на специально оборудованных рельсовых путях пришел шотландский инженер Ричард Тревитик в начале XIX в. Он открыл для общего пользования небольшую кольцевую железную дорогу вблизи одного из лондонских скверов, но из-за повреждения пути и недостатка средств был вынужден прекратить свои опыты.

Заслуга в решении проблемы создания парового железнодорожного транспорта принадлежит Джорджу Стефенсону, который первым рассмотрел подвижной состав и путь в их неразрывной связи. Свой первый паровоз Blücher он сконструировал в 1814 г., а через десять лет уже 16 различных паровозов перевозили грузы на небольших частных дорогах.

Самым известным изобретением Стефенсона была Rocket (1829), которая при собственном весе в 4,5 т свободно тянула поезд общим весом 17 т со скоростью 21 км/час. Скорость движения Rocket, имевшей машину мощностью 13 л.с., с одним пассажирским вагоном на 36 человек достигала 38 км/час.

Первая железная дорога (61 км) на Британских островах была построена в 1818 г. между городами Стоктон и Дарлингтон. Очень быстро она доказала свои преимущества перед старыми способами передвижения. В 1830 г. была открыта для пассажирского движения вторая в Англии железная дорога Ливерпуль – Манчестер (45 км), а в США – первая железнодорожная линия Чарльстон – Огеста (64 км). В ближайшие годы железные дороги появились во Франции, Бельгии, Германии, Австрийской и Российской империях. В частности, на юге последней в 1865 г. открылось движение поездов на участке Одесса – Балта протяженностью более 200 км.

Железные дороги стимулировали рост многих важных отраслей производства. Возникает новая специализация – транспортное машиностроение. Железные дороги соединили старые промышленные центры. Со второй половины XIX в. с помощью железнодорожного транспорта началось освоение отдаленных территорий и вовлечение их в сферу экономического развития.

Другим направлением развития транспорта в XIX в. было применение парового двигателя в судостроении. В 1796 г. американский механик Джон Фитч построил два небольших судна: одно с гребными колесами, второе – с гребным винтом. Но средств на постройку больших пароходов изобретатель не имел.

Преуспеть смог Роберт Фултон, который в 1803 г. построил и испытал еще весьма несовершенный пароход на р. Сене в Париже. Судно проплавало 1,5 часа со скоростью 5 км/ч. Но правительство Франции не предоставило изобретателю финансовых средств. Фултон уехал в США, где в 1807 г. построил пароход Clermont. Успеху способствовало то, что он не стал сам делать двигатель, а заказал его в Бирмингеме у фирмы Boulton & Watt. Свой первый рейс Clermont совершил по р. Гудзон из Нью-Йорка в Олбани (278 км) при встречном ветре и течении при работе только парового двигателя мощностью 20 л.с. Впоследствии пароходы Фултона усовершенствованной конструкции осуществляли регулярное сообщение по р. Гудзону. В 1840 г. только на р. Миссисипи и ее притоках курсировало свыше 1000 пароходов.

После изобретения речного парохода делались попытки технически усовершенствовать морской транспорт. В 1819 г. на трансатлантической линии из Америки в Европу появился первый пароход Savannah, который преодолевал путь за 26 суток. В 1825 г. английский пароход Enterprise совершил рейс из Лондона в Калькутту за 113 суток.

Важное значение для совершенствования морского флота имел переход к сооружению железных и стальных корпусов пароходов. В 1822 г. был построен первый железный пароход, который обслуживал линию Лондон – Гавр. Однако массовое применение железа и стали в судостроении начинается лишь с 40-х гг. ХIХ в.

Вторым важным фактором развития морского флота было применение гребного винта. Заслуга в этом принадлежит чешскому изобретателю Йозефу Ресселю, который в 1826 г. установил небольшой гребной винт на пятитонной лодке, который приводился в действие вручную двумя матросами. Австрийское правительство не поддержало изобретателя, и он вынужден был переехать в Италию, где построил на средства мецената Фонтано винтовой пароход (1829), совершавший регулярные рейсы между Триестом и Венецией.

Наконец в 1838 г. англичанин Френсис Смит построил первый вполне пригодный для практического использования пароход с гребным винтом Archimedes. К началу 40-х гг. XIX в. гребной винт начал успешно вытеснять гребные колеса на морском флоте. Последний рейс колесного океанского парохода состоялся в 1874 г.

Первая попытка применить паровой двигатель на военном корабле была предпринята в Англии еще в 1814 г. Но, как показал ход эксплуатации пароходов, для получения решающего преимущества в морском бою над парусными боевыми кораблями с деревянными корпусами проблему создания нового военно-морского флота необходимо решать комплексно. Прежде всего, корпус – не просто стальной, а бронированный. Движитель – только винт (гребные колеса были слишком уязвимы для артиллерийского огня). Но главное – новые нарезные артиллерийские системы. Нарезы в стволе придавали вращательное движение снаряду и обеспечивали повышение дальности и точности стрельбы. Технические трудности создания таких орудий были преодолены в результате работ шведского барона Варендорфа и итальянского мастера Кавалли. Уже во время Крымской войны в 1855 г. во Франции были построены 3 бронированных корабля-батареи, которые приняли участие в осаде Кинбурна.

Пушки с нарезными стволами появились в крепостной и полевой артиллерии. Впервые они были применены во время франко-итальянской войны в 1859 г. Кроме того, в то время старый способ заряжания гладкоствольных ружей с дула обеспечил в несколько раз большую скорострельность в сравнении с первыми несовершенными винтовками. Применение унитарного бумажного патрона, содержащего капсюль, разбивающийся при помощи ударника в виде илы, создало новые условия для распространения винтовки. Во время Гражданской войны в США в 1861–1865 гг. бумажный патрон был заменен металлическим, а однозарядную винтовку сменила многозарядная – магазинная.

Развитие экономики требовало не только новых видов транспорта, но и новых средств связи. Это было связано с внедрением электромагнитной телеграфии. К началу XIX в. было уже достаточно полно изучено статическое электричество и открыто свойство электрических зарядов с огромной скоростью распространяться в изолированном проводнике. После открытия гальванического электричества было осуществлено несколько попыток создать электрохимический (испанец Франциско де Сальва, 1802 г.) и электростатический телеграф (немец Самуэль Земмеринг, 1817 г.). После того, как в 1820 г. датский ученый Ханс Кристиан Эрстед открыл действие тока на магнитную стрелку, возникла реальная возможность создания нового вида связи - электромагнитного телеграфа.

В 1832 г. в Российской империи Петр Шиллинг совершил передачу первой телеграммы из 10 слов с помощью электромагнитного телеграфа. Новый вид связи начал внедряться на английских железных дорогах, а затем и в других отраслях. Окончательно электрический телеграф утвердился как наиболее прогрессивный вид связи после успешных работ российского академика Бориса Якоби, английского профессора Чарльза Уитсона, создания американским изобретателем Самуэлем Морзе электрического телеграфного аппарата со специальной азбукой.

Началось быстрое развитие телеграфной сети как внутри стран, так и между ними. В 1847–1852 гг. был проложен морской кабель от Дувра (Англия) к французскому побережью, начала действовать прямая телеграфная связь между Парижем и Лондоном. В 1855 г. был проложен подводный кабель через Средиземное и Черное моря, в 1866 г. заработала линия телеграфной связи между Лондоном и Нью-Йорком.

Решение проблемы создания буквопечатного устройства нашел британский инженер Дэвид Эдуард Юз. В своей разработке он применил принцип синхронно-синфазного движения механизмов передатчика и приемника. Аппараты Юза выдержали испытание временем и перестали использоваться только в конце 30-х гг. ХХ в.

Эксплуатация первых морских кабелей показала значительную зависимость процесса телеграфирования от электрической емкости проводов. Для работы на трансатлантическом кабеле существующий аппарат был вообще непригоден, поскольку его приемник мог реагировать на сигналы силой не менее 10 мА. Эта задача была решена Уильямом Томсоном в 1867 г. Он создал печатающий аппарат высокой чувствительности, известный под названием сифон-рекордера, для надежной работы которого был необходим ток порядка 0,02 мА.

В начале XIX в. произошли большие изменения в книгопечатании. Они коснулись, в первую очередь, печатного и наборного процессов. В 1812 г. немецкий изобретатель Фридрих Кениг установил в печатной машине металлический цилиндр вместо плиты для прижимания бумаги и механизировал нанесение краски на форму. Эти нововведения позволили делать более 800 оттисков в час. Англичанин Б. Фостер в 1815 г. механизировал операции извлечения литер из хранилища и установки их в строку. Вскоре появляются тигельные печатные машины. Американский изобретатель Уильям Баллок в 1863 г. создал ротационную машину, печатавшую на бумаге, смотанной в рулон.

В 1867 г. американский изобретатель Кристофер Шолс создал пишущую машинку, предназначенную для печатания текста при помощи рельефных букв, приводимых в действие системой рычагов. Вскоре была создана матрицевыбивальная машина. При нажатии специальных клавишей рельефные штампы выдавливали в картоне углубленные изображения букв и знаков, после чего по матрицам отливали нужные формы. Эти же идеи были использованы при создании наборно-отливных машин. Все эти изобретения и технические нововведения позволили улучшить качество книг, периодических изданий и значительно увеличить их тиражи.

Появление фотографии – это следствие успехов химии и физики начала ХIХ в. Французский изобретатель Жозеф-Нисефор Ньепс и художник Луи-Жак Даггер занимались поисками способа закрепления изображения, полученного камерой-обскура – ящиком с отверстием в передней стенке, с установленным на задней стенке матовым стеклом, на котором получалось световое изображение.

Даггер в качестве светочувствительного вещества использовал йодистое серебро, которое проявлял при помощи паров ртути. Но хотя изображение получалось точным, оно было «обратным» – правая сторона объекта на снимке была слева и наоборот. К тому же даггеротипные снимки нельзя было размножить.

Английский физик Вильям-Фокс Тальбот создал в 1840 г. новую светочувствительную бумагу, которая давала в камере-обскура скрытое изображение. Для получения видимого изображения бумагу «проявляли». Благодаря негативному и позитивному процессам фотография получила свое завершение. В 1847 г. французский изобретатель Ньепс де Сен-Виктор применил стеклянные пластины, светочувствительный слой которых состоял из йодистого серебра в альбумине. Фотографические отпечатки, сделанные со стеклянных негативов, отличались чистотой и ясностью. К началу 70-х гг. ХIХ в. фотография стала неотъемлемой частью науки, промышленности, искусства.

Создание классического естествознания. Общее состояние естественных наук в первой половине XIX в. характеризовалось развитием их отдельных отраслей и использованием результатов научных исследований в производстве, главным образом для создания машин и механизмов. В отличие от предыдущих этапов, в XIX в. как в отдельных отраслях, так и естествознании в целом все больше утверждается идея всеобщей взаимосвязи явлений природы. Естествознание превращается в единую науку о природе, внутренне связанную, начиная от науки о простых формах движения (механики) до математики, астрономии, физики, химии и биологии. Вместо произвольного деления природы начинается научная дифференциация естествознания.

В рассматриваемый период происходит расширение области применения математического анализа. Его использование становится обязательным условием развития механики непрерывных сред, теории электричества и магнетизма, термодинамики, теории упругости. Разработка математической физики оказала влияние на расширение теоретических основ математического анализа. Это приводит к развитию теории дифференциальных уравнений в частных производных и, особенно, теории потенциала. Большую роль в разработке этих разделов математики сыграли немецкие ученые Карл Фридрих Гаусс, Петер Дирихле, французские Огюстен Коши, Жан Батист Фурье, Симеон Дени Пуассон, англичанин Джордж Грин, украинский Михаил Остроградский.

На основе углубленной теории пределов возникает обоснование математического анализа, что имело также влияние на применение математики к естествознанию. В этой области заметных успехов достигли чех Бернард Больцано, норвежский математик Нильс Хенрик Абель и немец Карл Вейерштрасс.

Независимо друг от друга французский математик Жан Робер Арган и датский Каспар Вессель дали геометрическое истолкование комплексного числа. Вначале это обосновывалось только арифметически. В дальнейшем возникло систематическое развитие общей теории функции комплексного переменного. Важное значение в этой области имели работы А. Коши, К. Вейерштрасса и Георга Римана. Разработанная ими методика со средины XIX в. приобретает большое значение для решения задач математического естествознания, в частности, электротехники, а также гидродинамики.

В середине XIX в. сформировалась новая математическая дисциплина – векторные расчеты. В первую очередь ее появление отвечало потребностям физики и механики. Заметный вклад в развитие этой отрасли сделали немецкий математик Герман Грассман и английский Уильям Роуэн Гамильтон.

В XIX в. возникают разделы математики, которые на момент появления не были связаны с какими-то практическими потребностями. Но со временем они становятся основой новых отраслей науки. Так, российский математик Николай Лобачевский в 1826 г. и венгерский Янош Бойяи в 1832 г., а еще раньше Гаусс независимо друг от друга отклонили возможность доведения аксиомы Эвклида о параллельных линиях с помощью других аксиом и пришли к выводу, что через одну точку, не находящуюся на данной прямой, проходят по меньшей мере две прямые, которые лежат с данной прямой в одной плоскости и не пересекают ее.

Идеи этих ученых получили дальнейшее развитие в работах немецкого математика Г. Римана. В 1854 г. в лекции «О гипотезах, лежащих в основании геометрии» он рассмотрел обобщенную геометрию, для которой пространство геометрии Эвклида и Лобачевского является частным случаем. В своих работах Риман обосновал общее понятие многомерного пространства, элементами которого могут быть объекты любой природы, и определил пути применения методов дифференциальной геометрии для изучения таких пространств. Эти идеи опередили время и были применены только в ХХ в., после создания теории относительности в исследовании реального физического пространства.

На основе классической алгебраической задачи о решении уравнений высших степеней сформировалась одна из важных отраслей математики - теория групп. Ее основал Жозеф Луи Лагранж, хотя в XIX в. развитием этой теории занимались многие ученые.

В начале XIX в. дальнейшее развитие получила строительная механика. Она развивалась путем применения законов сопротивления материалов и их фундамента – теории упругости. Так, значительных успехов в расчете сводов добился Шарль Огюстен Кулон. Ему также принадлежит решение задачи о прочности балок. Он открыл существование касательных напряжений, что позволило впоследствии создать особую теорию прочности. Кулон дал первое решение задачи о скручивании.

Возникновение машиностроения, создание машин с большими скоростями вращения различных частей поставили перед учеными задачу об их изучении в состоянии движения. К концу 30-х гг. XIX в. в самостоятельную науку выделилась механика машин, в которой определились направления исследований по кинематике и динамике машин. Последние основывались, с одной стороны, на общем изучении машин, а с другой – на исследованиях теоретической механики, получившей классическую форму благодаря трудам Леонарда Эйлера и Жозефа Луи Лагранжа. К середине XIX в. французскими учеными были решены основные проблемы динамики машин.

Исследование кинематики механизмов усилилось в 40–50-х гг. XIX в., поскольку стимулировалось быстрым развитием текстильной промышленности и изобретением новых механизмов. Английские (Р. Уиллис, Т. Тет) и французские (Ш. Лабель, Ш. Жиро, Ж.-Б. Беланже) ученые создали теорию передач и начали поиски общих методов изучения родственных групп механизмов. Немецкая школа машиноведения успешно развивала конструкторско-технологическое направление изучения машин, которое оказалось наиболее плодотворным для решения практических задач машиностроения. Эти исследования основали дисциплину, которая в дальнейшем получила название «детали машин».

К середине XIX в. практическая механика как теоретическая основа изучения машин включала: 1) передачу и изменения движения, или механизмы машин; 2) измерения силы, теорию двигателей и динамическую теорию машин; 3) строение машин, основанную на теории сопротивления материалов.

Применение гидравлического оборудования и гидротехнических сооружений и необходимость их совершенствования ускорили развитие гидравлики. Она развивалась, опираясь, с одной стороны, на теоретические положения гидродинамики, а с другой – на достижения гидротехнической практики. Гидравлика развивалась преимущественно как экспериментальная наука.

Значительные сдвиги в XIX в. состоялись в изучении паровых машин и их элементов. Становление научных основ теплотехники было тесно связано с историей парового двигателя, которая в свою очередь обуславливалась развитием теплотехнической практики и расширением теоретических знаний о свойствах рабочего тела, о процессах в машинах, о методах построения технических средств.

Исследование свойств водяного пара позволило определить пути новой энергетики. Выяснилось, что используя водяной пар в качестве рабочего тела двигателя, можно получить механическую работу. Открытие физиков определили и ранние формы новых генераторов механической энергии – пароатмосферные поршневые двигатели, поскольку было известно, что нагретый пар имеет большую «упругую силу», а благодаря ее конденсации создается вакуум, обеспечивающий перепад давления, который необходим для осуществления механической работы.

Дальнейшие исследования были стимулированы многочисленными трудами изобретателей по исследованию универсального парового двигателя. Немецкий ученый Густав Антон Цейнер, используя исследования Анри Реньё (40-е гг. XIX в.), разработал полную и систематическую теорию насыщенного водяного пара с выводом всех необходимых формул и составлением таблиц его свойств. Следствием научных исследований и практических разработок было увеличение единичной мощности и повышение экономичности паросиловых устройств.

Исследование паровых двигателей привело к созданию основных принципов термодинамики – науки, изучающей законы теплового равновесия и превращения тепла в другие виды энергии. Одним из основателей термодинамики был французский ученый Сади Карно. Анализируя циклический тепловой процесс, он доказал, что в паровых машинах полезная работа может быть получена только при переходе тепла от более нагретого тела к менее нагретому. Рудольф Клаузиус рассмотрел цикл Карно и доказал, что его заключение является выражением общего закона о том, что тепло не может переходить само по себе от более холодного тела к более теплому. Клаузиусу принадлежит также внедрение понятия энтропии – одной из основных термодинамических величин.

В результате изучения электрических и магнитных явлений закладываются основы электротехники, были установлены закономерности в области электромагнетизма. В 1799 г. итальянский ученый Алессандро Вольта пришел к выводу, что источником электричества является контакт двух разнородных металлов, и создал первый электрохимический источник постоянного тока. Его батарея гальванических элементов с одной жидкостью стала основным источником тока в технике электрической связи. Ученые разных стран за счет опытов с изобретением А. Вольта узнали о тепловых, магнитных свойствах электрического тока, смогли получить новые химические элементы.

В 1820 г. начались исследования магнитных свойств тока. Было обнаружено явление намагничивания проводника током, который проходил через него (Д.Ф. Араго), а также установлен закон действия тока на магнит (Ж. Био, Ф. Савар), который объяснял вращательный характер движения проводника относительно магнита или магнита относительно проводника. Значительным научным достижением этого периода была разработка основ электродинамики и установка электрической природы магнетизма (А. Ампер). Изучая закономерности в электрической цепи и исходя из аналогии между движением электричества, тепловыми и водными потоками, Георг Симон Ом в 1826 г. установил известный закон электрической цепи, носящий его имя.

Начало нового этапа в электротехнике приходится на 1831 г., когда английский ученый Майкл Фарадей открыл электромагнитную индукцию. Это пополнило физику новым объектом – физическим полем. С этого времени индукционные явления становятся ведущей темой физических исследований, начинается изучение электрических колебаний, которые составляют научный фундамент электротехники переменных токов и радиотехники.

Учение об электричестве было первой наукой, на основе которой создавалась промышленность электрических приборов, аппаратов и машин. Возникновение нового вида технических средств с самого начала было неразрывно связано с открытием новых физических законов. Труды Ампера, привели к открытию законов электродинамики, исследования Фарадея, завершившиеся формулированием законов электромагнитной индукции, не только установили тесную связь между электрическими и магнитными явлениями, но и заложили принципиальные основы создания электрического двигателя и электрического генератора.

На основе этих открытий были сделаны первые шаги в практическом применении электричества. Начались работы по созданию электрогенераторов. Решающее значение, наряду с электрохимическим генератором А. Вольта, имел электромагнитный, основанный на применении электромагнитной индукции, который обеспечивал превращение механической энергии в электрическую.

Решающим в создании мощного генератора стало изобретение самовозбуждения за счет токов, получаемых в самой машине (датчанин Сёрен Хиорт, 1854 г.). С применением кольцевого якоря французским изобретателем Зенобом Граммом закончилась экспериментальная стадия создания электрогенераторов. Параллельно шли работы по усовершенствованию конструкции электродвигателя. Важным этапом в работах этого направления стало изобретение итальянским ученым Починоти двигателя с вращающимся кольцевым якорем (1860).

Одним из важных научных достижений этого периода было открытие закона сохранения и превращения энергии. Весь ход исторического развития науки и практики привел к тому, что к этому открытию почти одновременно подошли С. Карно (Франция), Ю.Р. Майер и Л.Г. Гельмгольц (Германия), Дж.П. Джоуль (Англия).

Таким образом, деятельность человечества по созданию технических средств и технологических процессов, использование естественнонаучных законов в практической деятельности привели к возникновению и развитию технических наук. С момента возникновения технические науки, в свою очередь, начали оказывать влияние на развитие всех отраслей техники, на углубление и распространение научной деятельности. Процесс создания объектов техники получил в XIX в. целенаправленный характер, результаты деятельности человека становились предсказуемыми.

Развитие производства подготовило также глубокие изменения в химической науке. В частности, в XIX в. сформировались научные понятия об атоме и молекуле. Развивая труды предшественников, английский ученый Джон Дальтон в начале XIX в. ввел в химию понятие атома. Впоследствии итальянский ученый Амадео Авогадро в 1811 г. высказал гипотезу о том, что в разных объемах всех газов при одинаковых температуре и давлении содержится одно и то же количество молекул. Таким образом, вводилось различие между атомом и молекулой. Закон Авогадро позволил определить молекулярный вес любого вещества. В 1859 г. Густав Кирхгоф и Роберт Бунзен начали исследования в области спектрального анализа. Окончательно разграничил понятия атома и молекулы итальянский химик Станислао Канниццаро, который предложил способ написания химических формул и реакций, которым пользуются и сегодня.

В этот период благодаря трудам французского ученого Шарля Фредерика Жерара, английского Эдуарда Франкленда и С. Канниццаро было установлено одно из важнейших понятий химии – понятие валентности, то есть способности атома соединяться только с четко определенным количеством других атомов при образовании молекулы нового вещества.

Но новые открытия в химии середины ХІХ в. работали также и на войну. В результате изобретения Кристианом Шёнбейном пироксилина (1846) и Асканио Собреро – нитроглицерина (1847), а также Альфредом Нобелем – динамита (1867) в артиллерии стали применяться новые взрывчатые вещества.

Выдающимся достижением химии середины XIX в. было открытие российским ученым Дмитрием Менделеевым в 1869 г. периодического закона химических элементов и составление им соответствующей таблицы. Периодическая система была значительным обобщением в области химии и физики. С ее помощью была установлена взаимосвязь между всеми элементами, предусмотрено существование еще неизвестных элементов и их свойств; на ее основе были открыты закономерности свойств химических соединений различных элементов.

Развитие естествознания в XIX в. в значительной степени повлияло и на биологию. В 1838–1839 гг. была создана клеточная теория, согласно которой основой строения и развития живых организмов является клетка – одна из форм организации живого вещества (Теодор Шванн, Маттиас Шлейден). Основателем эволюционной теории был английский ученый Чарльз Дарвин. В 1859 г. вышла его книга «Происхождение видов путем естественного отбора». Главное в учении Дарвина – теория естественного отбора, согласно которой виды создавались и создаются путем отбора и накопления свойств, полезных для выживания.

Итак, особенностью данного периода было укрепление связи науки с производством. Становление фабричной промышленности способствовало формированию науки как производительной силы. Ее роль становится определяющей в материальном производстве, а сама наука приобретает производственно-практические функции. Результатом промышленного переворота было возникновение современной материальной цивилизации с ее новыми средствами транспорта и связи, фабриками и заводами.

Вопросы для самоконтроля

1. Какие этапы промышленного переворота второй половины XVIII – середины XIX в. Вы знаете?

2. Какие последствия имел технический переворот на транспорте?

3. На каких изобретениях базировалось появление средств связи в XIX в.?

4. Чем было обусловлено создание и развитие классического естествознания в XIX в.?

5. Какие научные открытия в области химии оказали заметное влияние на дальнейшее развитие этой науки?

Основные понятия

Промышленный переворот – качественный прорыв в развитии техники, который привел к скачку в развитии производственных сил, в результате чего произошел переход от мануфактурного производства к фабрично-заводской промышленности.

Термодинамика – наука, изучающая законы теплового равновесия и превращения тепла в другие виды энергии.