Технічні досягнення кінця XIX - початку XX століття

Наприкінці XIX століття настала «Епоха електрики». Якщо перші машини створювалися майстрами–самоучками, то тепер наука владно втрутилася в життя людей – впровадження електродвигунів було наслідком досягнень науки. «Епоха електрики» почалася з винаходу динамомашини; генератора постійного струму, його створив бельгійський інженер Зіновій Грам в 1870 році. Внаслідок принципу оборотності машина Грамма могла працювати як у якості генератора, так і в якості двигуна; вона могла бути легко перероблена в генератор змінного струму. У 1880-х роках працював в Америці на фірмі «Вестінгауз електрик» югослав Нікола Тесла, який створив двофазний електродвигун змінного струму. Одночасно працював у Німеччині на фірмі АЕГ російський електротехнік Михайло Доліво-Добровольський, який створив ефективний трифазний електродвигун. Тепер завдання використання електроенергії впиралася в проблему передачі струму на відстань. У 1891 році відбулося відкриття Всесвітньої виставки у Франкфурті. На замовлення організаторів цієї виставки Доливо-Добровольський створив першу ЛЕП високої напруги і трансформатор до неї; замовлення передбачало такі стислі терміни, що не проводилося ніяких випробувань; систему було включено – і вона відразу запрацювала. Після цієї виставки Доливо-Добровольський став провідним електротехніком того часу, а фірма АЕГ стала найбільшим виробником електротехніки. З цього часу заводи і фабрики стали переходити від парових машин до електродвигунів, з'явилися великі електростанції і лінії електропередач.

Великим досягненням електротехніки було створення електричних ламп. За рішення цієї задачі в 1879 році взявся американський винахідник Томас Едісон. Його співробітники виконали понад 6 тисяч дослідів, випробовуючи для нитки розжарювання різні матеріали, кращим матеріалом виявилися волокна бамбука, і перші лампочки Едісона були «бамбуковими». Лише через двадцять років за пропозицією російського інженера Лодигина нитку розжарювання стали виготовляти з вольфраму.

Електростанції вимагали двигунів дуже великої потужності; ця проблема була вирішена створенням парових турбін. У 1889 році швед Густав Лаваль отримав патент на турбіну, в якій швидкість витікання пара досягала 770 м/сек. Одночасно англієць Чарлз Парсонс створив багатоступінчасту турбіну; турбіна Парсонса стала використовуватися не тільки на електростанціях, але і як двигун швидкохідних судів, крейсерів і океанських лайнерів. З'явилися також гідроелектростанції, на яких використовувалися гідротурбіни, створені в 30-х роках французьким інженером Бенуа Фурнероном. Американець Пелтон в 1884 році запатентував струминну турбіну, яка працювала під великим тиском. Гідротурбіни мали дуже високий ККД, порядку 80%, і енергія, яка отримувалася на гідростанціях була дуже дешевою.

Одночасно з роботами по створенню надпотужних двигунів йшла робота над малими пересувними двигунами. Спочатку це були газові двигуни, що працювали на світильному газі; вони призначалися для дрібних підприємств і ремісничих майстерень. Газовий двигун був двигуном внутрішнього згоряння, тобто згорання палива здійснювалося безпосередньо в циліндрі і продукти згоряння штовхали поршень. Робота при високих температурах в циліндрі вимагала системи охолодження і мастила; ці проблеми були вирішені бельгійським інженером Етьєном Ленуаром, який і створив в 1860 році перший газовий двигун.

Однак одержуваний з деревної тирси світильний газ був дорогим паливом, більш перспективними були роботи над двигуном, що працювали на бензині. Бензиновий двигун зажадав створення карбюратора, пристрої для розпилення палива в циліндрі. Перший працездатний бензиновий двигун був створений в 1883 році німецьким інженером Юліусом Даймлером. Цей двигун відкрив еру автомобілів; вже 1886 року Даймлер поставив свій двигун на чотириколісний екіпаж. Ця машина була продемонстрована на виставці в Парижі, де ліцензію на її виробництво купили французькі фабриканти Рене Панар і Етьєн Левассор. Панар і Левассор використовували тільки двигун Даймлера; вони створили свій автомобіль, оснастивши його системою зчеплення, коробкою передач і гумовими шинами. Це був перший справжній автомобіль; в 1894 році він виграв перші автомобільні гонки Париж-Руан. Наступного року Левассор на своєму автомобілі виграв гонку Париж-Бордо. «Це було безумство! – Сказав переможець. – Я мчав зі швидкістю 30 кілометрів на годину». Однак Даймлер сам вирішив зайнятися виробництвом автомобілів! У 1890 році він створив компанію «Даймлер Мотор», і десять років по тому ця компанія випустила перший автомобіль марки «Мерседес». «Мерседес» став класичним автомобілем початку XX століття; він мав чотирициліндровий двигун потужністю 35 к.с. і розвивав швидкість 70 км/год. Ця гарна і надійна машина мала неймовірний успіх, вона поклала початок масовому виробництву автомобілів.

КПД двигуна Даймлера становив близько 20%, КПД парових машин не перевершував 13%. Тим часом відповідно до теорії теплових двигунів, розробленої французьким фізиком Карно, КПД ідеального двигуна міг досягати 80%. Ідея ідеального двигуна хвилювала уми багатьох винахідників, на початку 90-х років її спробував втілити в життя молодий німецький інженер Рудольф Дизель. Ідея Дизеля полягала в стисненні повітря в циліндрі до тиску порядку 90 атмосфер, при цьому температура досягала 900 градусів; потім в циліндр впорскувалося паливо; в цьому випадку цикл роботи двигуна виходив близьким до ідеального «циклу Карно». Дизелю не вдалося повністю реалізувати свою ідею, через технічні труднощі він був змушений знизити тиск в циліндрі до 35 атмосфер. Тим не менш, перший двигун Дизеля, що з'явився в 1895 році, викликав сенсацію – його КПД становив 36%, удвічі більше, ніж у бензинових двигунів. Багато фірм прагнули купити ліцензію на виробництво двигунів, і вже в 1898 році Дизель став мільйонером. Проте виробництво двигунів вимагало високої технологічної культури, і Дизелю багато років довелося їздити по різних країнах, налагоджуючи виробництво своїх двигунів. Двигун внутрішнього згоряння використовувався не тільки в автомобілях. У 1901 році американські інженери Харт і Парр створили перший трактор, в 1912 році фірма «Холт» освоїла випуск гусеничних тракторів, і до 1920 року на американських фермах працювало вже 200 тисяч тракторів. Трактор взяв на себе не тільки польові роботи, його двигун використовувався для приведення в дію молотарок, косарок, млинів та інших сільськогосподарських машин. Із створенням трактора почалася масова механізація сільського господарства.

Поява двигуна внутрішнього згоряння зіграло велику роль у зародженні авіації. Спочатку думали, що достатньо поставити двигун на крилатий апарат – і він підніметься в повітря. У 1894 році знаменитий винахідник кулемета Хайрем Максим побудував величезний літак з розмахом крил в 32 метра і вагою 3, 5 тонни – ця машина розбилася при першій спробі піднятися в повітря. Виявилося, що основною проблемою повітроплавання є стійкість польоту. Це завдання вирішувалося довгими експериментами з моделями і планерами. Ще в 1870-х роках француз Пено створив кілька маленьких моделей, що приводилися в дію гумовим моторчиком; результатом його експериментів були висновки про важливу роль хвостового опіріння. У 1890-х роках німець Отто Лілієнталь зробив близько 2 тисяч польотів на сконструйованому їм планері. Він управляв планером, балансуючи своїм тілом, і міг перебувати в повітрі до 30 секунд, пролітаючи за цей час 100 метрів. Досліди Лілієнталя закінчилися трагічно, він не зміг впоратися з поривом вітру і розбився, впавши з висоти 15 метрів. Роботу над створенням планерів продовжили американці брати Райт, власники велосипедної майстерні в місті Дейтоні. Брати Райт ввели вертикальне кермо, поперечні рулі–елерони і виміряли підйомну силу крил за допомогою продування в винайденій ними аеродинамічній трубі. Побудований братами Райт планер був добре керованим і міг триматися в повітрі близько хвилини. У 1903 році брати Райт поставили на планер невеликий бензиновий двигун, який вони виготовили самі, в своїй майстерні. 14 грудня 1903 Вільбур Райт здійснив перший моторний політ, пролетівши 32 метра, 17 грудня дальність польоту досягла 260 метрів. Це були перші польоти в світі, до братів Райт ще не один аероплан не міг піднятися в повітря. Поступово збільшуючи потужність мотора, брати Райт вчилися літати на своєму аероплані; в жовтні 1905 року літак протримався в повітрі 38 хвилин, пролетівши по колу 39 кілометрів. Однак досягнення братів Райт залишилися непоміченими, і їх звернені до уряду прохання про допомогу залишилися без відповіді. У тому ж 1905 році брати Райт були змушені через нестачу коштів припинити свої польоти. У 1907 році Райти відвідали Францію, де громадськість з великим інтересом ставилася до польотів перших авіаторів – правда, дальність польотів французьких авіаторів вимірювалася лише сотнями метрів, і їх аероплани не мали елеронів. Розповіді і фотографії братів Райт справили у Франції таку сенсацію, що її відлуння докотилося до Америки і уряд негайно надаув Райт замовлення на 100 тисяч доларів. У 1908 році новий аероплан Райтів здійснив політ тривалістю в 2, 5 години. Замовлення на аероплани посипалися з усіх боків, в Нью-Йорку була заснована літакобудівна компанія «Райт» з капіталом 1 млн. доларів. Проте вже в 1909 році відбулося кілька катастроф на «Райт», і настало розчарування. Справа в тому, що літаки братів Райт не мали хвостового опіріння, і тому часто «клювали носом». Французькі авіатори знали про необхідність хвостового оперення з дослідів Пено; незабаром вони запозичили у братів Райт елерони і перевершили своїх американських побратимів. У 1909 році Луї Блеріо здійснив переліт через Ла-Манш. У цьому ж році Анрі Фарман створив першу масову модель аероплана, знаменитий «Фарман-3». Цей літак став основною навчальної машиною того часу і першим аеропланом, який став випускатися серійно.

Наприкінці XIX століття продовжувалася робота над створенням нових засобів зв'язку, на зміну телеграфу прийшли телефон і радіозв'язок. Перші досліди з передачі мови на відстань проводилися англійським винахідником Рейсом в 60-х роках. У 70-х роках цими дослідами зацікавився Александер Белл, шотландець, який емігрував до Америки і викладав спочатку в школі для глухонімих дітей, а потім в Бостонському університеті. Один знайомий лікар запропонував Беллу скористатися для експериментів людським вухом і приніс йому вухо від трупа. Белл скопіював барабанну перетинку, і, помістивши металеву мембрану поруч з електромагнітом, домігся задовільної передачі мови на невеликі відстані. У 1876 році Белл взяв патент на телефон і в тому ж році продав більше 800 екземплярів. Наступного року Дейвіз Юз винайшов мікрофон, а Едісон застосував трансформатор для передачі звуку на великі відстані. У 1877 році була побудована перша телефонна станція, Белл створив фірму з виробництва телефонів, і через 10 років в США було вже 100 тисяч телефонних апаратів.

При роботі над телефоном в Едісона виникла думка записати коливання мікрофонної мембрани. Він забезпечив мембрану голкою, яка записувала коливання на циліндрі, покритому фольгою. Так з'явився фонограф. У 1887 році американець Еміль Берлінер замінив циліндр круглої платівкою і створив грамофон. Грамофонні диски можна було легко копіювати, і незабаром з'явилося безліч фірм, що займалися звукозаписом.

Новий крок у розвитку зв'язку був зроблений з винаходом радіотелеграфу. Науковою основою радіозв'язку була створена Максвеллом теорія електоромагнітних хвиль. У 1886 році Генріх Герц експериментально підтвердив існування цих хвиль за допомогою приладу, званого вібратором. У 1891 році французький фізик Бранлі виявив, що металева тирса, поміщена в скляну трубку, змінює опір під дією електромагнітних хвиль. Цей прилад отримав назву когерера. У 1894 році англійський фізик Лодж використовував когерер, щоб реєструвати проходження хвиль, а в наступному році російський інженер Олександр Попов приробив до когереру антену і пристосував його для прийняття сигналів, що випускаються вібратором Герца. У березні 1896 р. Попов продемонстрував свій апарат на засіданні Російського фізико-хімічного товариства і здійснив передачу сигналів на відстань 250 метрів. Одночасно з Поповим свою радіотелеграфну установку створив молодий італієць Гульєльмо Марконі; він першим зумів запатентувати цей винахід; а наступного року організував акціонерне товариство для його використання. У 1898 році Марконі включив у свій приймач джіггер – прилад для посилення антенних струмів, це дозволило збільшити дальність передачі до 85 миль і здійснити передачу через Ла-Манш. У 1900 році Марконі замінив когерер магнітним детектором і здійснив радіозв'язок через Атлантичний океан: президент Рузвельт і король Едуард VIII обмінялися по радіо вітальними телеграмами. У жовтні 1907 фірма Марконі відкрила для широкої публіки першу радіотелеграфну станцію.

Одним з чудових досягнень цього часу було створення кінематографа. Поява кіно було прямо пов'язана з удосконаленням винайденої Дагером фотографії. Англієць Меддокс в 1871 році розробив сухобромжелатіновий процес, який дозволив скоротити витримку до 1/200 секунди. У 1877 році поляк Лев Варнеке винайшов роликовий фотоапарат з бромсеребряною паперовою стрічкою. У 1888 році німецький фотограф Аншюц створив моментальний шторний затвор. Після цього з'явилася можливість робити моментальні знімки, і вся проблема звелася до створення скачкового механізму, щоб виробляти знімки через проміжки в частку секунди. Цей механізм і перший кіноапарат були створені братами Люм'єрами в 1895 році. У грудні цього року був відкритий перший кінотеатр на бульварі Капуцинів в Парижі. У 1896 році Люм'єри об'їхали всі європейські столиці, демонструючи свій перший кінофільм; ці гастролі мали колосальний успіх.

Наприкінці XIX ст. вперше створювалися речовини, які тепер називаються пластмасами. Дж. Хайеттом (США) був запатентований целулоїд – перша з таких речовин, яке увійшло в широкий вжиток. Перед Першою світовою війною були винайдені бакеліт та інші пластмаси, що носять загальну назву фенопластів. Виробництво штучного волокна почалося після того, як в 1884 р. французький інженер Г. Шардоне розробив метод отримання нітрошовку; згодом навчились виробляти штучний шовк з віскози. У 1899 р. російський вчений І.Л. Кондаков поклав початок отриманню синтетичного каучуку.

Останні десятиліття XIX в. були часом технічних зрушень в будівельній справі. Будівництво висотних будівель, або, як їх стали називати, «хмарочосів», почалося в Чикаго в 80-х рр. XIX століття. Першою будівлею нового типу вважається 10-поверховий будинок чиказької страхової компанії, побудований в 1883 р. архітектором У. Дженні, який застосував сталеві перекриття. Підсилення стін сталевим каркасом, на який почали спирати балки міжповерхових перекриттів, дозволило збільшити висоту будівель вдвічі. Найвищою будівлею тих часів був нью-йоркський 58-поверхний хмарочос висотою в 228 метрів, побудований в 1913 році. Але найвищою спорудою була Ейфелева вежа, своєрідний пам'ятник «століття сталі». Споруджена французьким інженером Гюставом Ейфелем на Марсовому полі в Парижі у зв'язку з Всесвітньою виставкою 1889 р., ця ажурна вежа мала 300 метрів висоти.

Поряд з металевими конструкціями широке застосування отримали в цей час конструкції із залізобетону. Людиною, що відкрила залізобетон, вважається французький садівник Жозеф Моньє. Ще в 1849 році він виготовив діжки для плодових дерев з каркасом із залізної дроту. Продовжуючи свої досліди, він у 60-х році запатентував кілька способів виготовлення труб, резервуарів і плит з бетону із залізною арматурою. Найбільш важливим був його патент на залізобетонні склепінні перекриття (1877 р.).

Кінець XIX століття був часом бурхливого зростання світової залізничні мережі. З 1875 по 1917 рік довжина залізниць зросла в 4 рази і досягла 1, 2 млн. кілометрів. Знаменитими будівництвами того часу були магістраль Берлін- Багдад і Великий Сибірський шлях; протяжність Сибірського шляху до 1916 склала 7, 4 тисяч кілометрів. На нових залізницях укладали сталеві рейки, вони перетинали найбільші річки світу, і на цих річках зводилися гігантські сталеві мости. Початок «ері сталевих мостів», як висловлювалися сучасники, поклали арочний міст інженера Дж. Ідса через річку Міссісіпі (1874) і висячий Бруклінський міст архітектора Реблінга в Нью-Йорку (1883). Центральний проліт Бруклінського моста мав у довжину близько півкілометра. На нових дорогах працювали потужні локомотиви системи компаунд з багаторазовим розширенням і високим перегрівом пари. У 90-х роках в США і Німеччині з'явилися перші електровози і електрифіковані залізниці.

Будівництво залізниць зажадало багаторазового збільшення виробництва сталі. У 1870-1900 роках виплавка сталі зросла в 17 разів. У 1878 році англійським інженером С.Дж. Томасом було введено томасовський спосіб переділу чавуну на сталь; цей спосіб дозволив використовувати фосфористі залізні руди Лотарингії і забезпечив рудою металургійну промисловість Німеччини. У 1892 році французький хімік А. Муассан створив дугову електричну піч. У 1888 році американський інженер Ч. М. Холл розробив електролітичний спосіб виробництва алюмінію, відкривши дорогу широкому використанню алюмінію в промисловості.

Нові технічні можливості привели до вдосконалення військової техніки. У 1887 році американець Хайрем Максим створив перший кулемет. Знаменитий кулемет Максима виробляв 400 пострілів на хвилину і з вогневої потужності був рівнозначний роті солдатів. З'явилися скорострільні тридюймові знаряддя і важкі 12-дюймові гармати з снарядами вагою 200-300 кг. Особливо вражаючими були зміни у військовому кораблебудуванні. У Кримській війні (1853-1856 рр.) ще брали участь дерев'яні парусні гіганти з сотнями гармат на трьох батарейних палубах, вага найважчих снарядів становила у той час 30 кг. У 1860 році в Англії був спущений на воду перший залізний броненосець «Варріор», і незабаром всі дерев'яні кораблі пішли на злам. Почалася гонка морських озброєнь, Англія і Франція змагалися в створенні все більш потужних броненосців, пізніше до цієї гонки приєдналися Німеччина і США. У 1881 році був побудований англійська броненосець «Інфлексібл» водотоннажністю в 12 тис. тонн; він мав лише 4 гармати головного калібру, але це були колосальні гармати калібру 16 дюймів, розміщені в обертових вежах, довжина ствола була 8 метрів, а вага снаряда – 700 кг. Через деякий час всі провідні морські держави стали будувати броненосці цього типу (правда, в основному з 12-дюймовими знаряддями). Новий етап гонки озброєнь був викликаний появою в 1906 році англійської броненосця «Дредноут»; «Дредноут» мав водотоннажність 18 тис. тонн і десять 12-дюймових гармат. Завдяки паровій турбіні він розвивав швидкість в 21 вузол. Перед міццю «Дредноута» всі колишні броненосці виявилися небоєздатними, і морські держави стали будувати кораблі, подібні «Дредноуту». У 1913 році з'явилися броненосці типу «Куїн Елізабет» водотоннажністю 27 тис. тонн з десятьма 15-дюймовими знаряддями. Ця гонка озброєнь природним чином привела до світової війни. Причиною світової війни була невідповідність реальної мощі європейських держав і розмірів їх володінь. Англія, скориставшись роллю лідера промислової революції, створила величезну колоніальну імперію і захопила більшу частину ресурсів, необхідних іншим країнам. Однак до кінця XIX століття лідером технічного та промислового розвитку стала Німеччина; природно, що Німеччина прагнула використати свою військову і технічну перевагу для нового переділу світу. У 1914 році почалася перша світова війна. Німецьке командування сподівалася розгромити своїх супротивників за пару місяців, проте в цих розрахунках не була врахована роль нової зброї, яка з’явилась тоді, – кулемета. Кулемет дав вирішальну перевагу стороні, що оборонялась; німецький наступ було зупинено і почалася довга «окопна війна». Тим часом, англійський флот блокував німецькі порти і перервав поставки продовольства. У 1916 році в Німеччині почався голод і, який, в кінцевому рахунку, привів до розкладання тилу, до революції і до поразки Німеччини.