2. История инженерии

Поскольку эта книга не является кратким курсом мировой истории, ограничимся здесь тем минимумом, без которого невозможно обойтись.

Модель инженерной деятельности[55].

Инженерная деятельность, как, впрочем, и любая другая, есть единство, с одной стороны, субъекта, который делает, и объекта (предмета, системы, среды…), с которым что-то делают, а с другой стороны, инструмента, которым делают, и места, в котором делают.

Субъект здесь задается вместе с поставленными им целями и задачами. Как правило, акт деятельности меняет ситуацию, что приводит к изменению целей и задач, что мы изображаем незамкнутостью траектории, то есть — изменением субъекта.

Понятно, что обойти эту плоскость можно по-разному. Практически всегда вы можете выбирать инструмент и довольно часто — объект приложения своих сил. Тем более, подвижно поле, в котором вы осуществляете деятельность. Конкретный выбор инструмента, поля, объекта, фиксирующий инженерную задачу, определяется инженерным подходом. Наличие и богатство некоторого набора подходов (методов, способов деятельности) определяет профессиональную компетенцию инженера, его умение «инженерить». Таким образом, субъект подразумевает наличие подхода, причем существует связь этого подхода с поставленными целями и задачами.

Инженерный подход, несомненно, усматривается субъектом (инженером) в окружающей его деятельной действительности. Он, следовательно, не моделируется, а схематизируется:

Эта схема рассматривает инженерные подходы, как способность, возможность, метод, способ работы с инженерными примитивами.

Будем называть инженерными примитивами заранее определенные элементы, которые воспринимаются инженером, как единое целое, и могут быть мысленно помещены в проектируемую конструкцию «одной командой»[56]. Будем понимать под техниками совокупность примитивов и всех возможных операций над ними.

Каждый инженерный примитив создается на основании инженерной практики.

При этом примитив абстрактен, он относится к реальной детали механизма, как геометрическая линия на чертеже — к ее воплощению в материале.

Однако примитив не сводится к одной только абстрактной функции — он подразумевает, что может быть сделанным. Идея вращения или качения не является примитивом. Им будет колесо, состоящее из втулки, обода некоторого диаметра, спиц или диска. Но, конечно, это очень абстрактное колесо — оно не разрушается, не имеет толщины, ничего не весит, не воплощено в каком-либо конкретном материале. Оно «сделано в уме».

С инженерным примитивом можно выполнять ряд операций. Его можно закреплять, извлекать, помещать куда-либо, убирать откуда-то, менять размеры и форму, сохраняя топологию и структуру — сжимать, растягивать, поворачивать, отображать зеркально. Можно также делать в образце отверстия, если это не повлияет на его структуру.

Примитивы можно соединять друг с другом. Практически, речь идет о чем-то вроде рисования на компьютере, когда картинка создается растяжениями, вращениями и соединениями ряда автофигур:-).

Все результаты произвольных операций над любым количеством примитивов можно определить, как новый примитив, в этом плане список примитивов можно расширять до бесконечности. При этом, однако, инженер должен удерживать мысленное представление обо всех примитивах, как об абстрактных целостных объектах:-).

Техники, позволяющие оперировать примитивами, основаны, с одной стороны, на обыденном мышлении и здравом смысле, с другой — на логическом мышлении и известных инженеру законах природы и технических систем, с третьей — на инженерной интуиции и сложных формах мышления. Эти техники могут быть ранжированы, как относящиеся к той или иной фазе развития, определенному экономическому или технологическому укладу, той или другой технологической платформе.

Если техники, как способность инженера оперировать примитивами, находятся на схеме в позиции «будущего», то в позиции «прошлого» лежат инженерные архетипы: то, что предшествует инженерной деятельности.

Все инженерные архетипы относятся ко времени формирования инженерного мышления, то есть к палеолиту. Можно определить инженерные архетипы, как основания первых примитивов:-). Понимая, что развитие человека повторяет развитие Человечества, мы отнесем к первичным архетипам «говорение», «понимание» и «запоминание», а так же — первичные «умения руки»: держать, нести, сжимать, разрывать, кидать, соединить (связать), прикрепить… Архетипичными являются идеи огня, труда, орудия труда, разделения труда. Насколько можно судить, архетипична идея жилища, укрытия, «норы».

Хотя исходное содержание архетипов не зависит от культурных, национальных, религиозных или этнических различий, проявления архетипов у конкретного взрослого человека в значительной степени обусловлены языковой средой.

Речь идет, прежде всего, о фиксации в архетипах грамматики, синтаксиса и семантики родного языка.

Здесь, прежде всего, нужно понять, что базовая схема инженерной деятельности (глава 2) может быть развернута во фразу: «инженер инженерит инженерию в инженерне», которая написана на русском языке:-).

По всей видимости, языки индоевропейской группы тем лучше фиксируют инженерные архетипы, чем они ближе к санскриту. В этом отношении русский язык с его произвольным порядком слов в предложении, сложными грамматическими формами, развитым словообразованием, широким семантическим спектром хорошо подходит для инженерной деятельности :-). Заметим, что недостатком русского языка с точки зрения инженерных архетипов является недостаточное богатство глагольных форм.

На оси содержания в основании лежат инженерные практики, а во фронтальной, вневременной позиции — материалы. Понятно, что список материалов, доступных инженеру, меняется со временем, но медленно и, во всяком случае, не в рамках локальной инженерной задачи. Как и техники, материалы ранжируются, прежде всего, по фазе развития, затем по технологическому укладу. Отличие состоит в том, что появление новой технологической платформы крайне редко сопровождается возникновением новых материалов.

Таким образом, инженерный подход можно определить, как общее инженерных архетипов, техник, как способов оперировать примитивами, практик и доступных для использования материалов. История инженерии есть история примитивов и материалов.

Модель инженерной плоскости применима к любым видам деятельности, не требующим сложной кооперации, которая подразумевает управление. В сложных современных инженерных задачах траектория обхода удваивается и прошивает два параллельных слоя — слой деятельности и слой управления:

Перемещение между слоями затруднено, что показано переходом сплошной линии обхода в пунктирную:-) (смотри также главу 7).

Интересно, что для слоя управления, по-видимому, также существует схема D2, причем она практически изоморфна инженерной, то есть включает в себя управленческий подход, как общее управленческих архетипов, примитивов, техник и практик, но во вневременной позиции стоят не материалы, а доступные на данном уровне исторического развития организационные структуры.

История инженерных подходов

Слово «инженер» возникло очень поздно, на пороге расцвета Индустриальной фазы развития. Однако, по существу, инженерами были не только цеховые мастера Средневековья, но и ремесленники античности и древнего Востока, кузнецы энеолита, мезолитические мастера, создатели каменных орудий эпохи социогенеза.

Инженерное дело возникло одновременно с социосистемой и развивалось вместе с человеком и человеческой цивилизацией. Оно знало свои великие революции, переживало свои Темные века.

Господствующая в XIX столетии концепция поступательного линейного прогресса привела к представлениям о примитивности ранних человеческих обществ. В действительности, умение первобытных людей создавать орудия труда «из ничего», то есть, не имея ранее сделанных орудий труда, должно вызывать восхищение. И не следует забывать, что самые фундаментальные человеческие изобретения были сделаны на первых шагах развития цивилизации.

Социогенез

Этому, конечно, не найти подтверждений, но, по-видимому, само возникновение социосистемы привело к необходимости создания поселений. Библия не случайно приписывает создание города уже второму поколению людей:-). Если не город, то жилище, если не жилище, то убежище стало первым из великих человеческих открытий, и вполне понятно, что появление жилища было неотделимо от освоения огня и создания очага[57].

Жилище дало возможность сохранять орудия труда. Появились они еще до обретения человеком полного синдрома разумности, в конце концов, временами их используют и животные. Но социосистема орудия труда накапливала, что стало важнейшим эволюционным преимуществом вида Homo.

Необходимость охотиться не только на пороге жилища уже на стадии раннего социогенеза привела к появлению представлений о земле и географии.

Итак, социогенез: жилище, огонь, очаг, семья, накопление орудий труда. Господствующий инженерный подход — найти орудие труда: тяжелый удобный камень для удара, острый скол для разрезания.

Ранняя архаичная фаза: инженерные перевороты палеолита

Архаичная фаза началась в тот момент, когда человек научился не только находить и хранить, но и создавать орудия труда. Новый инженерный подход резко изменил образ жизни первобытного человека: отныне создание орудий труда становится главной задачей общества, а удовлетворение потребностей — второстепенной. Появляется хозяйство, как первичная экономика, расширяется разделение труда, примитивные формы которого, понятно, возникли вместе с семьей. Возникает имущественное неравенство и социальная организация: если производство орудий труда важнее, чем поиск пищи, неизбежны моменты голода, и должны появиться «особые люди», которые смогут пережить такие моменты за счет остальных.

Инженерный подход: производство орудий труда из дерева и кремня. Изобретается рычаг. Начинается активное использование рек, появляются первые лодки. Набирает силу подлинная «экономика кремня»: за подходящими камнями начинают охотиться, ими обмениваются, их доставляют на значительные расстояния.

Следующей революцией в инженерном подходе стало первое создание бисистемы: орудия труда,

котором сочетались разные материалы, например, камень и дерево.

Это произошло в верхнем палеолите, и для нас это событие крайне важно: возникли инженерные примитивы и были усмотрены схемы инженерной деятельности и инженерного подхода!

Выделяется позиция мастера и оформляется «баланс управления»: вождь — шаман — мастер.

Работа с примитивами позволяет перейти от примитивных катков к колесу. Вероятно, тогда же появляются первые блоки.

Инструментарий охоты получает сначала копье, а к концу палеолита и лук. Происходит расширение списка доступных материалов: копье дало возможность охотиться на животных, обладающих бивнями. Увеличивается и список каменных инструментов — к ножу и топору добавляются пила. Работа с костью позволяет делать шила и иглы.

«Обработка нового материала неизбежно требовала нового инструментария. В верхнем палеолите меняется основной набор каменных орудий, совершенствуются технологии их изготовления. Одно из главных достижений этого периода — развитие техники пластинчатого скола. Для снятия длинных и тонких пластин специально подготавливались так называемые призматические нуклеусы; скалывание с них велось с помощью костяного посредника. Таким образом, удар наносился не по самому камню, а по тупому концу костяного или рогового стержня, острый конец которого приставлялся точно в то место, с которого мастер предполагал отколоть пластину. В верхнем палеолите впервые возникает отжимная техника: то есть снятие заготовки осуществляется не ударом, а давлением на Посредник. Однако повсеместно эта техника начала применяться позднее, уже в неолите.

Раньше мастера довольствовались, в основном, тем сырьем, которое находилось в окрестностях стоянки. Начиная с верхнего палеолита, люди стали особо заботиться о добыче сырья высокого качества; для его поисков и добычи совершались специальные походы на десятки и даже сотни километров от стоянки! Конечно, на такое расстояние переносились не желваки, а уже подготовленные нуклеусы и сколотые пластины.

Призматические нуклеусы охотников на мамонтов имеют настолько сложную и совершенную форму, что Находки их долго определяли как очень крупные топоры. На самом деле это предмет, специально подготовленный для последующего скола пластин.

Позднее было установлено, что такие нуклеусы действительно использовались как орудия — однако не для рубки дерева, а для рыхления плотной породы. Видимо, в дальних походах за кремневым сырьем люди noiryrao использовали уже имевшиеся под рукой нуклеусы, чтобы извлекать из меловых отложений новые желваки. Такой меловой кремень особенно хорош. Из полученных желваков путешественники изготавливали на месте новые нуклеусы, которые и транспортировали на стоянку, располагавшуюся в 400–500 километрах севернее, на территории современного села Костенко Воронежской области». http://www.mystic-chel.ru/primeval/kamennyi-vek/334.html

«Технология сверления с применением абразивных порошков и трубчатых костей стала великим открытием в производстве инструментов. Под перпендикулярно срезанный торец трубчатой кости, приводимой во вращение сначала руками, а затем с открытием лука — тетивой лука, обернутой вокруг кости, подсыпался абразивный порошок и подавалась вода как смачивающая и охлаждающая жидкость. Эта технология позволяла выполнять сквозное сверление во всех известных материалах, включая и кремень». http://tank.ucoz.com/publ/1-1-0-5

Авторы полагают, что революция в используемых материалах на грани палеолита и мезолита была гораздо глубже, и кроме дерева, растительных волокон, камня и кости, в это время уже начали использовать обсидиан и работать с глиной, возможно, некоторые племена уже пробовали обжигать ее.

Инженерный подход: использование примитивов, работа с би— и полисистемами.

Поздняя архаичная фаза: мезолит

Это историческое время осталось в генной памяти Человечества, как «золотой век», и не случайно, как ранние утопии, так и фантастика ХХ столетия строили образ счастливого мира будущего по мезолитическим архетипам.

Мезолит — это высокий уровень жизни, наличие досуга, неутилитарных форм деятельности, искусства, познания ради познания, создания сложных космологий и мифологий, первая поэтика.

В инженерном деле — известный застой: существующие технологии вполне удовлетворяют потребности общества. Однако, сравнительно быстрый рост населения привел к дефициту кремней. Первый в истории человечества сырьевой кризис был преодолен созданием микролитических инструментов.

В мезолите лодка получает парус, и первые корабли рискуют выйти из рек в море. Происходит открытие островов Эгейского моря. Сокровищница Камня — Мальта — становится инженерным и культурным центром цивилизации.

В материалах никакой революции не происходит, но постепенно люди учатся работать с самородными металлами.

Инженерный подход: микролитические срезы (дробление системы), «высокие каменные технологии».

«Золотой век» закончился, как всегда, внезапно. Сегодня мы представляем масштабы мезолитической катастрофы, которая сопровождалась демографическим сокращением по разным оценкам от 30 до 50 процентов человеческой популяции, но ее причинны можем определить лишь умозрительно. По-видимому, фазовый кризис был связан с завершением мезолитической глобализации: племена овладели всей территорией, доступной им при существующем уровне развития транспортных технологий, что для присваивающих обществ фатально.

Выход из кризиса ознаменовался переходом к традиционной фазе развития и производящей экономике.

Ранняя традиционная фаза: неолит

Обслуживание потребностей сельского хозяйства потребовало не только резкого расширения ассортимента орудий труда, но и появления принципиально новых изобретений. В отличие от охотников, земледельцы не обеспечивали себя шкурами, следовательно, должно было появиться ткачество. Зерна нужно было превращать в муку — притом в массовом масштабе. Появляется ручная мельница и, с учетом человеческой изобретательности, наверняка предпринимались попытки использовать для вращения жерновов энергию воды. Резко расширяется использование глины. Возникает гончарный круг.

Неолит — эпоха первых городских поселений, существование которых признано научным сообществом. Иерихон, вероятно Дамаск и Мегиддо. Мальта по-прежнему представляет собой одну из вершин цивилизации. На острове заканчивается строительство огромного подземного каменного сооружения, высеченного в мягком камне.

Характерной особенностью инженерного подхода неолита является появление механизмов: гончарный круг, прялка, мельница.

Традиционная фаза: энеолит и цивилизация

Самородные металлы люди спорадически использовали уже в мезолите, но в энеолите происходит очередная инженерная революция и создается медная металлургия, кузница и кузнечное дело. Прогресс шел очень быстро: вслед за медью появляется бронза и сплавы, определяется оптимальное соотношение железа и олова в бронзе, создаются кузнечные мехи, начинаются первые эксперименты с мягким железом. Считается, что железные технологии отстают от медных примерно на тысячелетие, но, думается, это было связано, скорее, с распространенностью меди в Средиземноморье.

Революция в материалах не только предоставила новые возможности, но и породила проблемы, которые первоначально, вероятно, казались неразрешимыми.

«Материаловедение путем чисто эмпирических действий стало изучать свойства этих материалов для производства инструментов. Технология предложила уже привычные методы для обработки этих материалов, однако методы оказались непригодными — под ударами материалы не раскалывались, как давно известный кремень и его аналоги, а пластично деформировались — ковались».

Изобретение ковки сформировало новый инженерный подход, который стал быстро развиваться: «выяснилось, что под ударами молота металлы становятся прочнее, происходит так называемая нагартовка, рост прочности и твердости поверхностного слоя металла. При нагреве же металла и медленном его охлаждении — отжиге — нагартовка исчезает, а сам металл становится мягким. При сильном нагреве металл хорошо поддается ковке. Возникает еще одна новая технология — горячая ковка металлов.

Новые технологии создали и новые инструменты. Возникли кузнечные клещи для удержания раскаленных заготовок при ковке, кузнечные зубила для разрубания горячих поковок и т. д. Возрастает масса молотов, они получают удлиненные ручки, обеспечивавшие увеличение силы удара.

созданием мехов для подачи воздуха в кузнечные горны, позволивших повысить температуру нагрева обрабатываемых металлов до их расплавления, возникла технология формового литья. Теперь расплавленный металл можно было отлить в форму, получив почти готовое изделие. Заточка литого режущего инструмента с уже сформированной режущей кромкой была проще.

Ассортимент медных и бронзовых инструментов расширяется, появляется все больше специализированных инструментов. Создаются строительные и сельскохозяйственные, а также инструменты для горнодобывающих Работ». http://tank.ucoz.com/publ/1-1-0-5

Это — уже эпоха цивилизации. Появилась письменность, летописи, история. В третьем тысячелетии до н. э. создаются первые измерительные инструменты. И появляются первые инженеры, имена которых сохранились до наших дней.

Имхотеп

Имхотеп (греч. ??????, Древнеегипетский ii-m-?tp — то, что входит с миром) — древнеегипетский архитектор, врач, астроном, писатель, советник фараона III-й династии Джосера (2630–2611 до н. э.), верховный жрец бога Ра в Гелиополе. На протяжении многих веков считался величайшим мудрецом древности, а в поздние времена обожествлялся, в его честь сооружались статуи и храмы. Считается первым известным в истории ученым, архитектором, врачом.

Имхотеп спроектировал первую ступенчатую пирамиду в Саккаре близ Мемфиса (пирамида Джосера), также комплекс архитектурных сооружений, окружающих пирамиду. Имхотеп считается изобретателем пирамидальной архитектурной формы: он предложил надстроить над каменной мастабой (прямоугольной усыпальницей) фараона еще 3 масштабы меньшего размера, превратив мастабу на четырехступенчатую пирамиду (в дальнейшем количество ступеней пирамиды было увеличено до 6, и она достигла 61 м высоты). Таким образом, Имхотеп выступил основателем архитектурной традиции всего Древнего царства, которая опиралась на использование пирамидальной формы в проектировании царских захоронений. Кроме того, есть основания считать Имхотепа также изобретателем колонны в архитектуре. Обычно его также считают творцом храма в Эдфу.

«Железный век» распаковал смыслы «Бронзово го века». Изобретена закалка железа, позднее — науглероживание. Появилась кузнечная сварка и пайка. Продольные пилы резко ускорили темпы обработки древесины — создавались торговые и военные флоты из сотен кораблей, дерева не хватало.

Инженерный подход Древности: развитая инструментальная и оружейная металлургия, крупные инженерные проекты, высокие технологии — акведуки, античные механические «компьютеры».

Индустриальная фаза развития

Несколько упрощая, скажем, что Античный фазовый кризис и последующая эпоха Средневековья ничего принципиально нового в инженерию не внесла, за исключением первых опытов с чугуном, изобретения арбалета и налаживания массового производства стрел.

Ситуация начала меняться в XVI столетии, когда начали расти, хотя и очень медленно, объемы выплавляемого железа. Это обещало очередной переворот в используемых материалах.

«В XVI–XVII вв. в техническом деле начинают широко использоваться наброски и рисунки для изображения деталей, узлов, конструкций. Период перехода от ремесленного производства к машинному характеризуется еще более бурным развитием графических методов передачи технической информации. Одновременно с искусством черчения создаются и точные чертежные приборы и инструменты, ведутся теоретические изыскания в этой области. В 1798 году Гаспар Монж опубликовал книгу «Начертательная геометрия», в которой систематизировал приемы изображения технического объекта в виде проекций на две взаимно перпендикулярные плоскости. В результате «чертеж» прочно воцарился в технике. Инженерное дело получило свой особый язык — средство инженерного труда». http://rud.exdat.com/docs/ index-611717.html

1771 г. в Великобритании создано “Общество гражданских инженеров”.

Растет значение шахт и встает в полном объеме проблема откачки из них воды. Начинаются эксперименты с использованием для этой цели тепловой энергии.

Джеймс Уатт[58].

Родился 19 января 1736 года в Гриноке близ Глазго.

Прадед Уатта был родом из Абердиншира, занимался сельским хозяйством. Во время гражданской войны 1644–1647 годов он погиб, сражаясь на стороне ковенантёров. Его земля, имущество и дом были конфискованы.

Интересным фактом является то, что неведомым образом в середине XVII в. дед Уатта Томас Уатт поселился в маленьком прибрежном местечке Картдайке, или Кроуфордайке, близ Гринока, и стал заниматься преподаванием математики и мореходства. Кого и как он мог учить этим наукам в тогдашних Картдайке и Гриноке, состоявших из нескольких десятков домов (в последнем было в 1755 году 3800 душ жителей), сказать трудно; верно только то, что на его надгробной плите он был назван профессором математики и что в течение своей жизни он пользовался в Гриноке большим почетом, занимал должности главного окружного судьи, председателя церковного совета, и т. п.

Его сын, Джеймс, отец будущего изобретателя, был весьма разносторонним человеком: строил корабли, держал склад корабельных принадлежностей, вёл морскую торговлю, сам создавал и чинил различные приборы и механизмы. Для Гринокской пристани им был построен первый кран. Мать изобретателя, Агнес Мюрхед, происходила из богатого рода, получила очень хорошее образование. Оба родителя были пресвитерианцами.

Джеймс Уатт-младший имел от рождения хрупкое здоровье. Поначалу получил домашнее образование: мать научила его читать, а письму и арифметике его научил отец. Хотя он начал было учиться в средней школе Гринока, слабое его здоровье, и постоянные недомогания положили этому конец. Родители не настаивали на обязательном обучении в школе, считая, что сын сам может научиться всему, что пожелает. Уатт не имел возможности проводить время в играх со сверстниками, единственным его занятием вне дома была рыбалка. Большую часть года он был ограничен стенами своей комнаты, где учился самостоятельно. Друг его отца, увидев однажды, что мальчик рисует на очаге мелом какие-то линии и углы, спросил: «Зачем Вы разрешаете ребёнку тратить впустую время; почему бы не послать его в школу?» Джеймс Уатт-старший ответил: «Не судите его слишком быстро; прежде разберитесь, чем он занят». Оказалось, что он искал решение задачи Эвклида.

Будучи подростком, он увлекался астрономией, химическими опытами, научился всё делать своими руками, за что получил от окружающих звание «мастера на все руки». Отец подарил ему набор столярных инструментов, и Джеймс изготовлял модели механизмов и устройств, создаваемых отцом.

По достижения возраста окончания начальной школы, Уатт поступил в гимназию. Там он изучает среди прочего латынь, продолжает совершенствовать знания в математике, где показывает большие успехи. Он много читает, и яркой особенностью его характера было то, что почти всё из прочитанного он пытался проверить на практике.

Когда Уатту исполнилось восемнадцать лет, у него умирает мать. Дела отца, как и его здоровье, пошатнулись, и Уатт был вынужден попытаться заботиться о себе сам. Было решено, что Джеймс займется ремеслом, связанным с измерительными приборами. Поскольку в Шотландии обучиться такому занятию было проблематично, Уатт на год отправляется в Лондон. С большим трудом ему удаётся устроиться к некому Моргану, финансовые возможности позволяли ему оплатить лишь год обучения. Таким образом, он оказался в Лондоне на нелегальном положении, так как официально в ученики его не зачислили (настоящее ученичество требовало семи лет обучения). Уатт не жалея себя погружается в работу, отдавая ей все силы. Начав с изготовления обычных линеек и циркулей, он быстро переходит всё к более сложным инструментам. Скоро он в силах изготовить квадрант (англ. Quadrant), сектор (англ. Sector), теодолит. Он живет впроголодь и почти не выходит из дому: для этого не было времени, так как он весь день работал на хозяина, а по вечерам и утрам ему приходилось делать Работу на заказ, чтобы как-то иметь средства и на себя.

После окончания обучения, с ослабленным здоровьем, он возвращается в Шотландию, в Глазго, с намерением основать собственное дело. Он поселяется у своего дяди, Мюрхеда, и начинает заниматься созданием и починкой октантов (англ. Octant (instrument)), параллельных линеек (англ. Parallel rulers), барометров, частей для телескопов и прочих инструментов. Однако союз ремесленников Глазго запрещает Уатту заниматься его работой, так как он по сути не получил соответствующего обучения (англ. Apprenticeship) согласно цеховым порядкам, и это несмотря на то, что он был единственным мастером такой квалификации в Шотландии. Из безвыходного положения Уатта спасает случай. В университет Глазго поступает партия астрономических инструментов. Основа будущей обсерватории Макфарлейна (англ. Macfarlane Observatory), эти инструменты требовали чистки, установки, настройки. Через своего дядю, профессора восточных языков и латыни, Уатт был знаком с доктором Дикком, профессором естественных наук. Пользуясь его покровительством, Уатт получает работу по приведению инструментов в порядок. Для этого он создаёт при университете маленькую мастерскую. Его назначают мастером научных инструментов при университете, и с этого момента он, наконец, получает возможность трудиться без оглядок на средневековые законы, царившие в ремесленной сфере.

Среди паровых машин того времени были «огневая машина» французского изобретателя Д.Папена, объединявшая в одном устройстве котел для парообразования и рабочий цилиндр; паровой водоподъемник военного инженера Т.Севери, в котором рабочий цилиндр был отделен от котла и для быстрой конденсации пара обливался снаружи холодной водой; наконец — пароатмосферная машина Т.Ньюкомена. Последняя отличалась от предыдущих машин тем, что 1) движущей силой в ней было атмосферное давление, а разрежение достигалось при конденсации пара; 2) в цилиндре находился поршень, который совершал рабочий ход под действием пара; 3) вакуум достигался в результате конденсации пара при впрыскивании внутрь цилиндра холодной воды.

Зимой 1763 года к Уатту обратился профессор физики университета Глазго Джон Андерсон с просьбой отремонтировать действующий макет паровой машины Ньюкомена. Макет был оснащен 2-дюймовым цилиндром и имел рабочий ход поршня в 6 дюймов. Уатт провел ряд экспериментов, в частности, заменил металлический цилиндр на деревянный, смазанный льняным маслом и высушенный в печи, уменьшил количество поднимаемой за один цикл воды и макет, наконец, заработал. При этом Уатт убедился в неэффективности машины и внёс в конструкцию многочисленные усовершенствования. Уатт показал, что почти три четверти энергии горячего пара тратятся неэффективно. Уатт приходит к выводу: «…Для того, чтобы сделать совершенную паровую машину, необходимо, чтобы цилиндр был всегда так же горяч, как входящий в него пар; но, с другой стороны, сгущение пара для образования пустоты должно происходить при температуре не выше 30 градусов Реомюра». Основная сложность заключалась в том, чтобы заставить работать поршень и цилиндр. Металлопроизводство того времени было не способно обеспечить нужную точность изготовления.

Отлаживая университетскую модель паровой машины Ньюкомена, Уатт пришел к выводу, что для уменьшения расхода пара необходимо вынести процесс конденсации за пределы цилиндра. Получив патент на изобретение в 1769 г. и при материальной поддержке доктора Ребека, основателя первого металлургического завода в Шотландии, Уатт построил свою первую машину. Модель оказалась неудачной, и сотрудничество с Ребеком прервалось.

Несмотря на нехватку средств, Уатт продолжал работать над совершенствованием паровой машины. Его работы заинтересовали М.Болтона, инженера и богатого фабриканта, владельца металлообрабатывающего завода в местечке Сохо близ Бирмингема. В 1775 г. Уатт и Болтон заключили соглашение о партнерстве. В 1781 г. Уатт получил патент на изобретение второй модели своей машины, а в 1782 году изобрёл машину двойного действия. Среди новшеств, внесенных в нее и в последующие модели, были: 1) цилиндр двойного действия — пар подавался попеременно по разные стороны от поршня, при этом отработанный пар поступал в конденсатор; 2) жаровая рубашка, окружавшая рабочий цилиндр для снижения тепловых потерь, и золотник; 3) преобразование возвратно-поступательного движения поршня во вращательное движение вала сначала посредством шатунно-кривошипного механизма, а затем с помощью шестеренчатой передачи, явившейся прообразом планетарного редуктора; 4) центробежный регулятор для поддержания постоянства числа оборотов вала и маховик для уменьшения неравномерности вращения. Эти изобретения позволили увеличить производительность паровой машины в четыре и более раз. Кроме того, сама машина стала легко управляемой.

Фирма «Болтон и Уатт» испытала на себе все превратности судьбы, от падения спроса на ее продукцию до защиты своих изобретательских прав в судах, но с 1783 г. ее дела резко пошли в гору.

На склоне лет Уатт много занимался придуманной им машиной для копирования скульптурных произведений. Сам изобретатель называл её эйдографом. Это механическое приспособление позволяло копировать барельефы, медальоны, статуи, бюсты, сосуды и прочие вещи самой сложной формы с высокой точностью. Работу над этой машиной Уатт начал ещё в конце XVIII века, но усовершенствовать её получилось у него лишь к концу жизни.

На его памятнике указано: «Увеличил власть человека над природой».

Практически, Уатт создал паровую машину, как универсальную техническую систему, «двигатель фазы развития».

Дж. Уатт сформировал инженерный подход индустриальной фазы: машинное производство средств производства. Устройство, преобразующее энергию пара в механическое движение, запитало все механизмы, созданные в предыдущие эпохи и дало возможность создать колоссальное количество новых машин и механизмов.

Одновременно заканчивается революция материалов. Мир переходит к массовому производству железа, а к концу XIX века возникают стали, легированные стали, специальные стали.

Из истории Обуховского завода[59]:

«Начиналось всё в 1854 году на Урале в г. Златоусте. Начальником Горного округа, учёным металлургом П. М. Обуховым был создан свой рецепт производства тигельной стали. В 1857 году Обухов получил Привилегию (Патент) на своё изобретение, а ещё через два года, получив разрешение, построил Князе-Михайлоскую фабрику на которой и были отлиты первые орудия из тигельной стали.

К сожалению, фабрика не справлялась с большим количеством заказов, к тому же доставка орудий стоила очень дорого и занимала много времени. Напрасно Обухов пытался доказать необходимость распространения его способа

России и строительства нового завода. Дело не двигалось. В своём очерке «П. М. Обухов» его племянник А. Кавадеров вспоминает: «…В конце 1860 года дядя сообщил ему, что господин Н. Путилов предлагает заключить договор на строительство завода в СПб».

«1861 года 12 дня, Корпуса Горных инженеров полковник Павел Матвеев Обухов и Коллежский Советник Николай Иванович Путилов заключили сей договор:

1. Я, Обухов, изобрёл привилегированных в 1857 году способ приготовления литой стали и, по распоряжению Правительства, уже ввёл его в Князе-Михайловской фабрике, в Златоусте; лично сам не могу заняться водворением и развитием сего производства в других местах России, и я счёл долгом пригласить господина Путилова принять на себя открытие вновь и развитие производства литой стали по моему способу, на условиях, здесь изложенных, для чего и выдал ему, господину Путилову, 22 августа сию доверенность.

2. Я, Обухов, предоставляя, согласно данной мне привилегии, господину Путилову в исключительное право открытие вновь производства в Князе-Михайловской фабрике, а затем в других местах России, я, Обухов, без равного участия Путилова не приму и не буду вести производства литой стали.

3. В основании настоящего Соглашения полагаем полную взаимную доверенность содействия друг к другу к прочному водворению и развитию сего производства и оказать посильную пользу Правительству и отечественной промышленности.

4. Так как для меня, Обухова, важнее всего, чтобы способ мой приготовления литой стали ещё недавно изобретенный и малоизвестный в России и в Европе, был исполняем с совершенною точностью без малейших отступлений так, чтобы литая сталь и изделия из оной находили постоянное одобрение от Правительства и в частной промышленности, то я, Обухов, ставлю непременным условием господину Путилову техническую часть производства вести по указанию и распоряжению мною, Обуховым, и для сего, сверх сообщения ему, Путилову, всех подробностей способа моего, обязан если понадобится, дать техника подготовленного мною для производства стали и изделий из оной.

Административной же и хозяйственной частями дела заведует и распоряжается Путилов, он входит лично сам или поручает доверенным от него лицам входить в сношение с Правительством и с частными обществами и лицами относительно заказов и заключения контрактов, условий и других договоров, принимает меры к устройству заводов, заботится всеми зависящими и законом дозволенными средствами к прочному и успешному развитию сего производства с тем, что участие в прибылях и убытках в деле стали и изделий из оной, в каком бы роде они не были, принадлежат нам, Обухову и Путилову, совершенно равных долях.

5. Я, Путилов, должен вести счета и книги по примеру благоустроенных коммерческих домов, отдельно от других моих собственных дел, так чтобы Обухов лично сам или через доверенное лицо мог бы во всякое время контролировать сии счета не позже 1 марта каждого года, начиная с 1863 года, доставлять Обухову балансовый счёт за предшествовавший год и за отчислением сколько будет надо оборотного капитала на дальнейшее производство их остальной наличной суммы причитающейся на долю Обухова деньги выдавать ему или доверенному от него лицу безотлагательно.

6. В случае споров и недоразумений между ними дела такого рода решаются окончательно третейским Судом на общих правилах набираемого без права подавать куда либо апелляцию.

7. Я Путилов за доверие, оказываемое мне Обуховым передачею сего способа приготовлении стали, обязуюсь, сколько от меня будет зависеть, по совести, сохранять в тайне, ни под каким предлогом не передавать без согласия Обухова другим лицам, в особенности принять зависящие от меня меры, чтобы способ сей не мог быть передан заграницу.

8. Срок сему договору определяем на двадцать пять лет, с тем, что по истечении сего срока ликвидируется всё имущество как движимое, так и недвижимое, принадлежащее делу стали и изделий из оной и разделяется между нами Обуховым и Путиловым и другим участниками в сём деле, если таковые будут, и делится в таких долях, какие каждый из нас будет в то время иметь в деле. В прочем по взаимному соглашению можем мы продолжать дальнейшее производство на условиях, какие тогда вновь определим.

9. В случае смерти нашей права переходят во всей силе к наследникам нашим или к тем лицам, кои будут заблаговременно указаны согласно постановлению закона.

10. Договор сей сохранять свято и ненарушимо, подлинный иметь мне, Обухову, а копию с оного мне, Путилову. Цену предмета составляющего сей договор по невозможности ныне определить объявляем, примерно, в 6000 рублей серебром».

Этот документ интересен тем, что помогает понять взаимоотношения, права и обязанности каждого из этих двух талантливых изобретателей, металлургов, инженеров, промышленников, людей которые действительно были патриотами своей страны.

(16) мая 1863 г., между Товариществом на паях — П.Обухов, Н. И. Путилов, С. Г. Кудрявцев и Морским министерством был заключён контракт о строительстве сталелитейного и орудийного завода, в 12 верстах от СПб, на Шлиссельбургском тракте в селе Александровском:

«1863 года мая 4 дня мы, нижеподписавшиеся, Николай Иванов сын Путилов, Сергей Галактионов сын Кудрявцев и Павел Матвеев сын Обухов заключили сей Контракт с Артиллерийским управлением Морского Министерства, на изготовление для флота стальных, нарезных артиллерийских орудий, из стали полковника Обухова, на следующих условиях:

Первое. В течение пяти лет, считая со дня подписания сего контракта, обязываемся мы построить в Санкт-Петербурге или окрестностях оного сталелитейный завод и изготовить на оном стальных, вполне отделанных артиллерийских орудий, заряжающихся с дула, всего на сумму до одного миллиона рублей, с тем, чтобы в течение первого года окончить все устройства к отливке, проковке и окончательной отделке орудий…»

Указом от 31 мая (12 июня) 1863 г. император Александр II повелел передать необходимую часть земли, бывшей Императорской Александровской мануфактуры, располагавшейся на 12 версте от г. Санкт-Петербурга на берегу Невы, со всеми находящимися на нём жилыми зданиями и строениями Морскому министерству, для содействия частным лицам к устройству в окрестностях Санкт-Петербурга сталелитейного завода, для изготовления нарезных орудий, снарядов и вообще стальных изделий для флота: «…предприятие это в случае успеха должно иметь государственное значение относительно вооружения крепостей и постройки броненосных судов…».

На заводе, созданном выдающимся металлургом М. Обуховым и энергичным менеджером Н. И. Путиловым, с первых лет его работы сосредоточились талантливые специалисты металлурги и артиллеристы: Д. К. Чернов, Н. В. Калакутский, Р. В. Мусселиус, В. И. Колчак, А. А. Ржешотарский.

Впервые в России образовался союз производства и науки. Афоризм Д. К. Чернова «… без науки нет завода», предельно кратко формулировал значение этого содружества.

На заводе Д. К. Черновым выработана фраза, выражающая влияние металлургических процессов на качество продукции: технология — структура — свойства металла.

Д.К.Чернов

…при испытании стрельбой орудий большего калибра имели место случаи разрыва стволов. Успешные результаты испытаний чередовались с провалами. Дело обстояло так плохо, что раздавались предложения о прекращении производства стальных орудий в России. П. М. Обухов, уверенный в высоком качестве своей литой стали, не находя объяснения низкому качеству продукции из неё, практически отошёл от заводских дел.

В 1866 году Морское министерство вынесло постановление: производство стальных орудий на Обуховском заводе прекратить.

В этот критический для завода момент управляющий заводом А. А. Колокольцов пригласил для работы на заводе инженера-технолога Д. К. Чернова. Перед ним была поставлена задача: выяснить и объяснить причину негодности одних орудий рядом с превосходным качеством других, изготовленных из одной и той же литой стали, в одних и тех же условиях.

Обратив внимание на то, что металл разорвавшихся орудий отличался крупнозернистым строением, а металл выдержавших испытания стрельбой, был более мелкого и однородного строения, при одном и том же химическом составе, Чернов предположил, что для стальных гладкоствольных пушек Обухова образца 1862 года, стрелявших при сравнительно низких давлениях пороховых газов, запас прочности ствола гарантировал от всяких случайностей при неоднородности механических свойств металла. Но в стальных нарезных пушках, стрелявших при давлениях газов в стволе в два раза больших, неоднородность свойств недопустима и являлась причиной разрыва.

Предстояло найти причину неоднородности свойств и способы её устранения. То, что химический анализ разрушившегося и годного металла был одинаков, дало основание исследователю предположить, что дело не в химическом составе стали, а в неодинаковой дальнейшей тепловой обработке орудийных заготовок.

Дмитрий Константинович обладал исключительно тонкой наблюдательностью. Его глаза в определенной мере заменяли физические приборы, привычные для металловедов в наши дни. Это помогло справиться с поставленной задачей.

Ученик Д. К. Чернова (позже — начальник лаборатории металловедения Обуховского завода) В. А. Яковлев вспоминал о своём учителе: «Он проявил всю мощь своей наблюдательности, своей строгой математической логики. Он проводил бессонные ночи в химической и механической лабораториях, сидел ночами у печей, учась у старых опытных рабочих определять на глаз температуру раскалённой стальной болванки».

Сам Д. К. Чернов в докладе Русскому Техническому Обществу в 1868 году сказал: «Генерал Обухов умел хорошо лить тигельную сталь, но обрабатывать её не умел. Мне пришлось заняться этим вопросом единолично, так как идеи Обухова были не достаточно ясны и верны, а помощниками были полуобразованные мастера, которые с большим недоверием относились к моим распоряжениям. Таким образом, когда ковка продолжалась до четырёх суток с перерывами, а нагревы до четырёх часов, то при обработке одного орудия приходилось часто проводить бессонные ночи».

Два года многочисленных исследований изломов разорвавшихся стволов завершились успехом. Была не только решена производственная проблема, но сделано научное открытие мирового значения.

Чернов установил температурные интервалы обработки, при которых сталь одного и того же химического состава давала крупнозернистую или мелкозернистую структуру.

Он доказал, что при нагревании стали, она в определенные моменты претерпевает структурные превращения, с которыми связаны её механические свойства. Наилучшие результаты при ковке стальных болванок можно получить, заканчивая ковку при температуре близкой к точке «б». С тех пор, как на Обуховском заводе стали учитывать при обработке стальных стволов указанные им точки критических превращений, случаи их разрыва совершенно прекратились.

Разобравшись с причинами, приводящими к браку стволы орудий крупных калибров, Д. К. Чернов продолжал далее развивать своё открытие. Для наглядности и простоты изложения, он графически изображает соотношения между некоторыми свойствами стали и температурами нагрева.

Точкой «а» (~ 700 °C) он отмечает температуру, будучи нагретой до которой сталь даже при быстром охлаждении ещё не принимает закалку, и в большинстве случаев становится мягче и легче обрабатывается пилой и резцом.

точке «б» (~ 800 °C) происходит структурное превращение. Это минимальная температура, будучи нагретой до которой сталь принимает закалку. Точка «а» очень близко располагается к точке «б». Чем ближе температура нагрева под закалку к точке «б» и чем резче охлаждение, тем более мелкокристаллическую структуру будет иметь сталь после закалки. При нагреве выше точки «б» и при замедленном охлаждении сталь будет иметь крупно кристаллическое строение.

Точка «д» (~ 200 °C) минимальная температура, до которой при закалке сталь должна быть быстро охлаждена, чтобы произошла полная закалка, т. е. получена наибольшая твёрдость, которую может дать сталь. Скорость охлаждения ниже точки «д» не влияет на твёрдость стали.

Точка «е» (~ 450 °C) минимальная температура быстрого охлаждения стали при закалке, при которой ещё будет заметно влияние закалки. Если быстрое охлаждение будет происходить до температур выше точки «д», то закалки не произойдёт.

При нагреве закалённой стали в промежутке температур «д — е» твёрдость её будет тем меньше, чем температура нагрева будет ближе к точке «е».

Точка «с» (~ 1500 °C) температура плавления стали.

Обозначенные точками температуры являются постоянными только для стали одного химического состава.

Практическое значение критических точек, установленных Д. К. Черновым, было исключительно велико. Эти температуры явились научной основой практических технологических процессов тепловой обработки стали. Открытие Д. К. Чернова дало возможность управлять процессами превращения в стали, изменяя по желанию структуру и свойства.

Современность

ХХ век сопровождался двумя значимыми изменениями в инженерии:

Во-первых, резко расширился список используемых материалов, причем впервые в нем появились материалы, не существующие в природе (полимерная революция 1950-х годов, нейлон, капрон);

Во-вторых, произошла повсеместная электрификация производства.

Этот процесс связан, прежде всего с именами Николы Тесла (смотри главу 8), Томаса Эдисона, Алексея Лодыгина (смотри главу 6), и Павла Яблочкова.

Павел Яблочков

Российский электротехник, изобретатель и предприниматель. Изобрел (патент 1876 г.) дуговую лампу без регулятора — электрическую свечу («свеча Яблочкова»), чем положил начало первой практически применимой системе электрического освещения. Работал над созданием электрических машин и химических источников тока.

Павел Яблочков родился 14 сентября (2 сентября по старому стилю) 1847 г., в селе Жадовка, Сердобского уезда Саратовской губернии, в семье обедневшего мелкопоместного дворянина, происходившего из старинного русского рода. С детства Павлик любил конструировать, придумал угломерный прибор для землемерных работ, устройство для отсчета пути, пройденного телегой. Родители, стремясь дать сыну хорошее образование, в 1859 г. определили его во 2-ой класс Саратовской гимназии. Но в конце 1862 г. Яблочков ушел из гимназии, несколько месяцев обучался в Подготовительном пансионе и осенью 1863 г. поступил в Николаевское инженерное училище в Петербурге, которое отличалось хорошей системой обучения и выпускало образованных военных инженеров.

По окончании училища в 1866 г. Павел Яблочков был направлен для прохождения офицерской службы в Киевский гарнизон. На первом же году службы он вынужден был выйти в отставку из-за болезни. Вернувшись в 1868 г. на действительную службу, поступил в Техническое гальваническое заведение в Кронштадте, которое окончил в 1869 г. В то время это была единственная в России школа, которая готовила военных специалистов в области электротехники.

В июле 1871 г., окончательно оставив военную службу, Яблочков переехал в Москву и поступил на должность помощника начальника телеграфной службы Московско-Курской железной дороги. При Московском политехническом музее был создан кружок электриков-изобретателей и любителей электротехники, делившихся опытом работы в этой новой по тем временам области. Здесь, в частности, Яблочков узнал об опытах Александра Николаевича Лодыгина по освещению улиц и помещений электрическими лампами, после чего решил заняться усовершенствованием существовавших тогда дуговых ламп.

Уйдя со службы на телеграфе, П. Яблочков в 1874 открыл в Москве мастерскую физических приборов. «Это был центр смелых и остроумных электротехнических мероприятий, блестевших новизной и опередивших на 20 лет течение времени», — вспоминал один из современников. В 1875 г., когда П.Н. Яблочков проводил опыты по электролизу поваренной соли с помощью угольных электродов, у него возникла идея более совершенного устройства дуговой лампы (без регулятора межэлектродного расстояния) — будущей «свечи Яблочкова».

В конце 1875 г. финансовые дела мастерской окончательно расстроились, и Яблочков уехал в Париж, где поступил на работу в мастерские академика Бреге, известного французского специалиста в области телеграфии. Занимаясь проблемами электрического освещения, Яблочков к началу 1876. завершил разработку конструкции электрической свечи и в марте получил патент на нее.

Свеча Павла Николаевича Яблочкова представляла собой два стержня, разделенных изоляционной прокладкой. Каждый из стержней зажимался в отдельной клемме подсвечника. На верхних концах зажигался дуговой разряд, и пламя дуги ярко светило, постепенно сжигая угли и испаряя изоляционный материал.

Успех свечи Яблочкова превзошел все ожидания. Сообщения о ее появлении обошли мировую прессу. В течение 1876 г. Павел Николаевич разработал и внедрил систему электрического освещения на однофазном переменном токе, который, в отличие от постоянного тока, обеспечивал равномерное выгорание угольных стержней в отсутствие регулятора. Кроме того, Яблочков разработал способ «дробления» электрического света (то есть питания большого числа свечей от одного генератора тока), предложив сразу три решения, в числе которых было первое практическое применение трансформатора и конденсатора.

Система освещения Яблочкова («русский свет»), продемонстрированная на Всемирной выставке в Париже в 1878 г., пользовалась исключительным успехом; во многих странах мира, в том числе во Франции, были основаны компании по ее коммерческой эксплуатации. Уступив право на использование своих изобретений владельцам французской «Генеральной компании электричества с патентами Яблочкова», Павел Николаевич, как руководитель ее технического отдела, продолжал трудиться над дальнейшим усовершенствованием системы освещения, довольствуясь более чем скромной долей от огромных прибылей компании.

В 1878 г. Павел Яблочков решил вернуться в Россию, чтобы заняться проблемой распространения электрического освещения. На родине он был восторженно встречен как изобретатель-новатор.

В 1879 г. Павел Николаевич организовал «Товарищество электрического освещения П. Н. Яблочков-изобретатель и К» и электротехнический завод в Петербурге, изготовившие осветительные установки на ряде военных судов, Охтенском заводе и др. И хотя коммерческая деятельность была успешной, она не приносила изобретателю полного удовлетворения. Он ясно видел, что в России слишком мало возможностей для реализации новых технических идей, в частности, для производства построенных им электрических машин. К тому же, к 1879 г. электротехник, изобретатель, основатель крупных электротехнических предприятий и компаний Томас Эдисон в Америке довел до практического совершенства лампу накаливания, которая полностью вытеснила дуговые лампы.

Переехав в Париж в 1880 г., Яблочков стал готовиться к участию в первой Всемирной электротехнической выставке, которая должна была состояться в 1881 г. в Париже. На этой выставке изобретения Яблочкова получили высокую оценку и были признаны постановлением Международного жюри вне конкурса, но сама выставка явилась триумфом лампы накаливания. С этого времени Яблочков занимался главным образом вопросами генерирования электрической энергии — созданием динамо-машин и гальванических элементов.

В конце 1893 г., почувствовав себя больным, Павел Яблочков после 13 лет отсутствия вернулся в Россию, но через несколько месяцев 31 марта (19 марта по ст. стилю) 1894 г. умер от сердечного заболевания в Саратове.

В этот Период Человечество сумело воплотить в жизнь древнейшую мечту о полете, и это достижение должно быть отмечено даже в нашем «кратком курсе». Возникли также устройства глобальной связи и глобальной разведки.

Инженерный подход: электрические машины и механизмы, обратные связи и автоматизация, полупроводники и полимеры.

Рубеж веков принес компьютеризацию производства, системную инженерию и надежды на наноматериалы. Инженерный подход: полностью автоматизированные системы с компьютерным управлением.

Сводная таблица инженерных подходов: