История технических инноваций: учебное пособие

Борис Михайлович Игошев, Александр Петрович Усольцев

История технических инноваций

Введение

Классический образ ученого, созданный во множестве фильмов и художественных произведений, – это, как правило, увлеченный своей идеей бессребреник, которого ничего, кроме чистой науки, не интересует. В этот образ не вписывается коммерческая деятельность по внедрению сделанных им изобретений и открытий. Это, чаще всего, удел отрицательных героев кинофильмов – дельцов, гоняющихся за богатством и славой.

Однако много полезных, важных, фундаментальных открытий и изобретений оказались забытыми только потому, что их создатель не смог или просто не захотел проявить настойчивости, внутренней организованности, таланта в очень непростом деле практического внедрения своего детища!

Весь путь развития цивилизации определяется не теми техническими изобретениями, которые погибли в зародыше, а теми, которые окрепли, получили повсеместное практическое применение, изменили жизнь людей и их мировоззрение, обусловили появление и крушение целых государств и даже огромных империй, привели к смене исторических эпох и общественных формаций. Такие изобретения называются техническими инновациями.

От успешности внедрения технических инноваций зависит будущее и нашей страны: останется ли Россия такой, какой она нам досталась от предыдущих поколений, – передовой технической державой или превратится в сырьевой придаток других государств и потеряет свои огромные, но не бесконечные природные ресурсы, принадлежащие уже не нам, а нашим потомкам. Именно поэтому мы посчитали очень важным, чтобы молодые граждане нашей страны понимали важность технической модернизации, гордились успехами россиян, внесших значительный вклад в развитие мирового технического прогресса.

В первой главе излагаются основные закономерности процессов технической эволюции, смены одних технических устройств другими, значение этих процессов для развития отдельных государств и всей человеческой цивилизации в целом. Эти закономерности можно легко увидеть во всех следующих историях развития техники самого разного назначения.

Во второй главе следует краткий хронологический обзор основных технических инноваций. В этот список в первую очередь попали инновации, изменившие технологический уклад (например, тепловые двигатели или полупроводники), и те, которые качественно изменили само Человечество (изобретение радио, телевидения и электрического освещения). Конечно, могут быть и другие соображения, в соответствии с которыми основными будут другие инновации. Мы будем рады, если читатель сам сможет дополнить этот список или составить свой.

Третья глава посвящена освоению человеком окружающего пространства. Первой была земля, на которую человек ступил, спустившись с дерева. Затем это была вода, которая веками служила людям для сообщения между собой на больших расстояниях. Следующая, воздушная, стихия освоена человеком относительно недавно, но уже перестала быть чем-то экзотическим и необычным. Бесконечный космос никогда не будет пройден Человечеством полностью, но ближнее, околоземное пространство можно считать уже почти обжитым. Стихия, наиболее к нам близкая, остается при этом наименее изученной – это земля под нашими ногами. Но несомненно, что и эта среда будет постепенно использоваться все больше и больше, и при ее освоении будут пройдены этапы изучения, освоения и использования.

В четвертой главе рассматривается развитие технических инноваций в самых разных сферах применения, охватывающих всю нашу жизнь. Дома на кухне, в больнице, в школе, на стадионе, в театре, – всюду мы встречаем созданных инженерами и учеными искусственных помощников. Исчезни они сегодня, наша жизнь станет не только скучной, но и короткой – начнутся голод, холод, эпидемии.

Безусловно, наш рассказ нельзя назвать полным. Книга по своему содержанию является хрестоматийной: можно найти десятки, а то и сотни книг и сайтов, посвященных теме каждого из параграфов нашей книги (чего стоит, например, тема, связанная с созданием подводных лодок!). Но этот материал является достаточным, чтобы ознакомиться с историей развития инноваций в этой сфере и увидеть в действии определенные закономерности. Главная цель книги заключается в том, чтобы ее читатель за сухими цифрами и датами увидел красоту, драматизм, противоречивость технического воплощения человеческих мечтаний и захотел узнать об этом больше. Очередная техническая новинка Человечества в этом поможет – Интернет к вашим услугам! Именно там размещена большая часть использованного в книге материала. Вас ждет открытый, развивающийся и потрясающе интересный мир техники. Изучая этот созданный человеком мир, мы лучше понимаем себя, свои желания, недостатки и возможности.

Глава I

Закономерности научно-технического прогресса

В этой главе рассматриваются общие закономерности научно-технического прогресса, которые не так-то и просто увидеть в огромном количестве различных фактов и событий. Без выделения этого общего нельзя понять и объяснить происходящие события, а самое главное, нельзя строить и прогнозировать будущее.

Почему империи и государства появляются, а потом разваливаются? И что общего эти исторические процессы имеют с незначительными на первый взгляд событиями, такими как изобретение подковы или транзистора? Что общего между эволюцией птиц и динамикой продаж на рынке автомашин разных моделей? Почему утепление дверей и окон вашего дома необходимо для сохранения белых медведей и африканских слонов?

Содержание этой главы поможет найти ответ на эти и многие другие вопросы.

1.1. Технические инновации

Сделать изобретение легко; гораздо труднее найти ему практическое применение.

Томас Эдисон

Термин «инновация» был введен экономистами И. Шумпетером и Г. Меншем в 1911 г. Производным является слово «новация» (от анг. novation), буквально – новшество или нововведение.

Инновация – это новация, которая сопровождается инвестициями. Иными словами, инновация – это нововведение, затраты на внедрение которого окупаются и дают прибыль.

Техническая инновация – воплощение научного открытия или технического изобретения в конкретном материальном продукте или технологии его изготовления.

Изобретение, вызывающее смех окружающих и приносящее убытки своему изобретателю, до статуса инновации не дотягивает. Большая часть таких изобретений умирает и забывается. Некоторые из них оживают и становятся инновациями через столетия. Темп нашей жизни все больше ускоряется, поэтому примеров, когда упорный и удачливый изобретатель обретает богатство и славу при жизни, становится все больше.

Удача особенно нужна изобретателю на первой стадии развития инновации – стадии убытков и насмешек. Именно в это время надо найти еще хотя бы одного безумца, кто рискнет вложить средства в то, во что никто никогда денег не вкладывал.

Начальная прибыль от нововведения даже близко не приближается к затратам. Если в это время изобретателям сообщить, что впоследствии они станут миллионерами, то они воспримут это как еще одну насмешку.

Зато потом начинает казаться, что деньги рекой текут к удачливому бизнесмену, который может уже больше ничего не делать, а предаваться воспоминаниям о трудных временах и глупых людях.

Все дело в том, что зависимость этого результата от затрат не является линейной, как это может сначала показаться, а имеет более сложный характер: каждый вложенный рубль (доллар, марка, фунт, иена) может давать прибыли на копейку, а может и на сто рублей. Если мы построим некий условный график зависимости результата от затрат, он будет иметь вид, напоминающий латинскую букву S. Этот график так и называется – S-образная кривая (рис. 1).

S-кривую можно разбить на три характерных участка: обучения, повышенной отдачи и насыщения.

Рис. 1

Участок обучения. Внедрение в практику новорожденной идеи требует постоянного увеличения затрат, при этом идет накопление опыта ее создателей, преодоление возникающих технологических, организационных, социальных и иных трудностей. Естественно, что отдача от пока только развивающейся инновации низка и растет довольно медленно.

Один из первых пароходов Фултона греб по воде гусеницами и был больше похож на трактор и внешним видом, и скоростью. Понятно, что кроме насмешек и недоумений это водоплавающее средство ничего не вызывало – изящные и красивые парусники шутя обгоняли дымящее и неуклюжее сооружение.

Участок повышенной отдачи. Когда основные трудности преодолены, новатор получает монопольное преимущество и компенсирует все понесенные им затраты. Дополнительные вложения на этом этапе дают значительное улучшение продукта и снижают его себестоимость, а следовательно, увеличивается прибыль.

Пароход Фултона с гребными колесами, курсируя несколько лет по рекам Северной Америки, позволил вернуть изобретателю все деньги, потраченные на предыдущие технические эксперименты. Маркони с лихвой окупил все затраты на совершенствование средств связи, торгуя радиоприборами по всему миру. Первые радиопередатчики были закуплены даже для нужд русского флота, и это на родине изобретателя радио А.С. Попова!

Догнать новатора на этой стадии очень непросто, так как тот, кто пытается конкурировать с первопроходцем, должен пройти свой участок обучения и совершить те же ошибки, что предшественник. Именно на этом этапе чаще всего и происходит интеллектуальное технологическое воровство, когда заработанный упорным трудом и финансовыми вложениями результат используется другими людьми. Для предотвращения таких случаев и существует патентная система, позволяющая изобретателю официально закрепить свой приоритет. Пренебрегать этим не стоит. Например, русский изобретатель Александр Николаевич Лодыгин изобрел первую электрическую лампу накаливания, но запатентовал ее только в Европе и по разным причинам не стал этого делать в США. Этим воспользовался талантливый и предприимчивый Томас Эдисон. Он усовершенствовал лампы накаливания, очень быстро наладил их выпуск и заработал на их продаже большие деньги, тогда как Лодыгин, естественно, ничего от этого не получил. Так появилась всемирно известная компания, существующая и сегодня – «Дженерал Электрик» (General Electric).

Но существование патентной системы и признание так называемых «авторских прав» имеет и свою оборотную сторону. Например, «Вестингауз Электрик» создал патентный союз в составе «Дженерал Электрик», ATT и «Радио корпорейшн оф Америка». Все радиоизделия стали продаваться под их общей маркой – RCA. Естественно, чтобы воспользоваться «золотым временем» повышенной отдачи технологии, Патентный союз попытался монополизировать производство, но это ему не удалось. К разочарованию Патентного союза, несколько контрактов с владельцами патентов содержали оговорки в защиту «любителей», и это позволило другим использовать патенты.

Если конкурирующие производители были действительно любителями, они могли игнорировать требования патентного союза. Таким образом, дальнейшее развитие радиотехники во многом осуществлялось благодаря уловкам в законодательстве, а фирмы, бывшие на «участке обучения» лидерами научно-технического прогресса, в дальнейшем превращаются в его сильнейший тормоз. Американец Эдвин Армстронг, запатентовавший FM-радио, покончил с собой, не вынеся бесконечных судебных тяжб с корпорациями по поводу использования сделанных им изобретений.

Участок насыщения. Рано или поздно наступает такой момент, когда инновация исчерпывает свои возможности – наступает насыщение. Дальнейшие усовершенствования становятся все более дорогими, и каждый раз дают все менее значительный результат. Начинают сказываться ограничения технологии, которая уже полностью исчерпала свои возможности. Например, дальнейшее совершенствование современных двигателей внутреннего сгорания приводит к их значительному удорожанию, что никак не окупается самым минимальным ростом КПД, который уже сейчас близок к максимально возможному. Становится понятно, что необходимо менять саму концепцию, переходить на двигатели принципиально другого рода.

И вот тут появляется следующая инновационная концепция, которая тихо и незаметно проводила «детство» на своем участке обучения. Окрепнув, она окончательно добивает свою предшественницу. Возникает новая S-образная кривая (рис. 2). Поэтому компаниям, занимающимся внедрением новых технологий, очень важно знать, на каком этапе находится их инновация. От этого зависит их стратегия: если работа находится на втором участке, то экономическая эффективность максимальна, можно начинать максимально вкладывать средства в разрабатываемый продукт (рис. З). Если нововведение таковым уже не является и близко к участку насыщения, экономическая эффективность резко падает, то необходимо прекращать бессмысленные траты и срочно переходить к новому проекту.

Рис. 2

Рис. 3

Время перехода от одной группы продуктов или процессов (технологии) к другой называется технологическим разрывом (ТР) или «переломной точкой». В этой точке появляется новая концепция, техническая идея, которая определяет, «канализирует» генеральное направление развития во всей данной технической области.

Причем время технологических разрывов становится все меньше и меньше. Огнестрельное оружие практически полностью заменило холодное оружие примерно за четыре столетия, винтовые самолеты уступили место реактивным за полсотни лет, вакуумные лампы были заменены на полупроводники в течение лет 15–20, электронно-лучевые трубки безоговорочно проиграли жидкокристаллическим экранам лет за 10, магнитофонная запись исчезла под натиском компакт-дисков уже лет за пять, а DVD осуществили буквально трехгодичный блицкриг.

Со временем уменьшения технологических разрывов параллельно возрастает число новых линий развития технологий в различных областях человеческой деятельности. Это приводит к увеличению количества людей, занимающихся разработкой и внедрением новых технологий. Уже сегодня внедрение технических новшеств становится самой перспективной индустрией. Возникла новая отрасль человеческой деятельности – инноватика. На наших глазах появилась еще одна новая профессия – инноватик, или инноватор.

Естественно, что первые технические инновации были сделаны человеком задолго до того, как был введен этот термин. Можно сказать, что использование палки в качестве рычага или дубинки является одной из первых и, может быть, главной технической инновацией в истории человечества. Имена гениальных инноваторов древности до нас не дошли: во-первых, имен у них еще могло и не быть, а во-вторых, технические инновации в области информационных технологий, как и сами эти информационные технологии, еще ждали своего часа.

Появление в арсенале человека Огня и Колеса техническими инновациями в области энергетики, которые, как будет показано дальше, сыграли особо важную роль. Укрощение огня и использование шкур убитых животных как одежды сразу отделило человека от всего другого животного мира – энергетически он стал гораздо более обеспеченным существом, чем все другие, а значит, и более независимым от капризов природы. Человеку не нужно копить жир на зиму как медведю, ему нужно потеплее одеться и заготавливать больше дров.

Изобретение Колеса позволило человеку повысить КПД своих действий по транспортировке тяжелых грузов. Это обусловило развитие торговли и строительства. Постройка египетских пирамид без колес и рычагов превратилась бы в тысячелетний долгострой, не завершенный до сих пор.

Изобретение средств передвижения по воде позволило человеку освоить новые жизненные пространства. Плавание на плоту или в лодке может быть более легким и быстрым, чем пешая ходьба по лесу, болотам и камням. Догадка использовать силу ветра для передвижения этих лодок явилась еще одной гениальной и судьбоносной технической инновацией. Энергетическая обеспеченность человека еще более повысилась, он смог покрывать огромные расстояния и перевозить грузы, во много раз превышающие его собственный вес, и обогнать по этому показателю даже муравья, непревзойденного трудягу, поднимающего вес в сотни раз больше собственного.

Трудно себе представить, как выглядела бы карта государств древности без этих изобретений. Скорее всего, огромных империй не было бы.

Использование подков и хомута, как это ни покажется удивительным, тоже оказало огромное влияние на ход истории: римляне, первыми догадавшиеся это сделать в массовых масштабах, повысили коэффициент полезного действия своих мускульных источников энергии – лошадей, быков мулов и пр., покорили всех соседей, до которых смогли доехать и доплыть, и создали тысячелетнюю Римскую империю.

После распада Римской империи воцарилось Средневековье, в котором, как известно, очень настороженно, а порой и очень негативно относились к инновациям, кроме тех, которые были направлены на благо Церкви. К таким инновациям сначала относилось и книгопечатание, призванное, прежде всего, распространять идеи, угодные Церкви. Но появление печатных книг означало революцию в области информационных технологий. Идеи стали распространяться значительно

быстрее, в том числе, и высказываемые такими еретиками, как Джордано Бруно, Николай Коперник и Галилео Галилей. Средневековое мракобесие стало постепенно подтачиваться инновациями, рождающимися в сумрачных помещениях его многочисленных монастырей и немногочисленных университетов.

Появление ветряных и водяных мельниц изменило производственные процессы, изобретение пороха и огнестрельного оружия привело к изменению военных стратегий и характера военных действий. Научно-технический прогресс неумолимо набирал ход, могущество того или иного государства уже в большей степени стало зависеть не от количества подданных его правителя, а от производительности их труда, не от размеров армии и гениальности полководцев, а от их технической вооруженности. Испанский колонизатор Кортес, имеющий ружья, лошадей и корабли, избил и ограбил индейцев, многократно превосходящих его по численности. Были случаи, когда отряд, вооруженный огнестрельным оружием, обращал в бегство целое войско в пятнадцать тысяч человек, имеющих только луки и копья.

Печатные книги и паровые машины ускорили прогресс. Теперь уже за одно столетие исторических событий и технических инноваций случалось больше, чем за тысячелетие Древнего мира.

Дальше инновации и события посыпались как из рога изобилия: использование электричества, изобретение телеграфа, радио, бензиновых двигателей, самолетов, ядерная бомбардировка американцами японских городов, полет Гагарина в космос, появление компьютеров, всемирных компьютерных сетей, использование генной инженерии и т. д.

Вполне возможно, что в старые неторопливые времена за это же время могло бы произойти только одно знаменательное техническое событие: например, вместо костяных наконечников к стрелам стали приделывать бронзовые. И то, скорее всего, времени бы не хватило на то, чтобы это новшество распространилось на всех, уж очень неспешен был характер тогдашних инноваций.

Но сейчас другое время, поэтому в недалеком будущем мы станем свидетелями очень большого количества важных событий и технических изменений: внедрения новых энергоисточников, средств компьютерной коммуникации, медицинских приборов, межпланетных космических кораблей и т. п.

Но еще интереснее быть не свидетелем, а участником и двигателем научно-технического прогресса, самому передавать эстафету от изобретателей прошлого к нашим потомкам, внести пусть и очень небольшой, но свой вклад в общее дело!

Как сказал Стив Джобс, основатель компании Apple, переманивая к себе на работу успешного топ-менеджера пепси-колы: «Может, сделаешь что-нибудь стоящее или так и будешь всю жизнь сладкой водичкой торговать?»

А начать можно с самого простого – прочитать интересную статью про современные достижения науки и техники, поставить дома опыт по физике, решить интересную математическую задачу.

1. Инноватика – новая сфера профессиональной деятельности.

2. Технические инновации – необходимое условие экономического развития корпораций.

3. Мелкий и средний бизнес – полигон технических инноваций.

1. Авторское право – стимул или тормоз технического прогресса?

1. Данилов Н.И. Использование ресурсов и энергии: учеб, пособие для элективного курса «Энергосбережение» в старших классах / Н.И. Данилов, Ю.Н. Тимофеева, А.П. Усольцев, Я.М. Щелоков, В.Ю. Балдин. – Екатеринбург, 2010.

2. Лесков С.Л. Живая инновация. Мышление XXI века: пособие для старшеклассников. – 2-е изд. – М.: Просвещение, 2010.

3. Фостер Р. Обновление производства: атакующие выигрывают. – М.: Прогресс, 1987.

4. Официальный сайт журнала «Наука и жизнь». – www.nkj.ru

5. www.integro.ru/system/ots/evolution

1.2. Технологические уклады

Нет ничего более постоянного, чем перемены.

Карл Людвиг Берне

Инновации сегодня идут сплошным увеличивающимся потоком, их появление – не разовое исключительное событие, а уже целая индустрия, которая становится основным источником государственных доходов. Место государства на мировой арене в наше время стало определяться не величиной армии и даже не ее техническим оснащением, а успешностью и быстротой массового внедрения технических инноваций. На долю новых знаний, воплощаемых в технологиях, оборудовании, образовании кадров, организации производства, в развитых странах приходится от 70 до 85 % прироста валового внутреннего продукта (ВВП).

Таблица 1

Технологические уклады

При этом постоянно растет доля государственных расходов на науку и образование, достигая в развитых странах в среднем 3 % ВВП, а доля частных инвестиций в инновации может быть в разы больше государственного финансирования. И все это необходимо делать не только для того, чтобы улучшить жизнь населения, но и для победы в технологической гонке, приз в которой, ни много ни мало – сохранение государственности и национальной независимости.

В свое время Сергеем Юрьевичем Глазьевым была разработана теория долгосрочного технико-экономического развития. Основа этой теории – идея последовательной смены технологических укладов.

Технологический уклад (ТУ) – совокупность технологий, характерных для определенного уровня развития производства.

В рамках ТУ осуществляется замкнутый цикл, включающий добычу и получение первичных ресурсов, все стадии их переработки и выпуск набора конечных продуктов, удовлетворяющих соответствующий тип общественного потребления.

Например, крестьянин выращивает лен, на фабрике его перерабатывают, ткут ткань, шьют занавес, используют в театре. Если бы лен не был выращен, гвоздь не выкован, электричество не выработано, то и театр был бы другим, если бы вообще был.

В связи с научным и технико-технологическим прогрессом происходит переход от более низких укладов к более высоким, прогрессивным.

ТУ проявляется во всех сферах человеческой жизни, от добычи природных ресурсов и профессиональной подготовки кадров до непроизводственного потребления. Например, изобретение парового двигателя привело к увеличению добычи угля, бурному росту городов, повышению производительности труда, появлению квалифицированного рабочего класса, к изменению проведения досуга большими массами населения. Поэтому, как это не покажется странным на первый взгляд, можно выстроить причинно-следственную цепочку от парового двигателя к появлению кино, фотографии, радио, театру, войнам, революциям и т. п.

В соответствии с теорией, предложенной С.Ю. Глазьевым, можно объяснить смену мировых лидеров: то государство, которое первым вступает в новый технологический уклад, получает преимущество и быстро становится основным игроком на мировой арене. В табл. 1 указаны периоды основных технологических укладов, определяющие их ключевые факторы, технологическое ядро и те страны, которые первыми вступили в новый уклад.

1-й технологический уклад. 1770–1830 гг. Ключевым фактором, определяющим новый технологический уклад, является изобретение и внедрение текстильных машин. Естественно, что это повлекло за собой развитие текстильной промышленности и текстильного машиностроения, что, в свою очередь, потребовало больше чугуна и железа для изготовления станков. Для приведения станков в движение необходим источник энергии. Это привело к строительству каналов для обеспечения работы водяных двигателей и транспортировки товаров. Лидерами стали, в первую очередь, Великобритания, затем Франция и Бельгия.

Быстро стали появляться заводы и фабрики с узкоспециализированным разделением труда между работниками. Предметная система труда, при которой ремесленник изготавливал изделие от начала и до конца, уступила место операционной. Теперь рабочий выполнял только отдельные операции по изготовлению конечного продукта – быстро, качественно, дешево. Воцарился прагматичный капитализм, резко поменявший быт, социальное устройство и мировоззрение общества. Вместо лавок ремесленников, торгующих только тем, что сами сделали, стали появляться прототипы современных магазинов, предлагающие многообразные товары промышленного производства.

2-й технологический уклад. 1830–1880 гг. Катализатором перехода к новому технологическому укладу стал паровой двигатель. Его появление позволило производство сделать энергетически независимым от рек. Появилась возможность размещать фабрики и заводы в больших городах, где есть рабочая сила и необходимая инфраструктура. Впервые у человека появился свой рукотворный источник энергии, настолько мощный и компактный, что его можно поместить на корабль и даже на самодвижущуюся повозку. Символом изменений стала железная дорога. Хотя поначалу многие просвещенные люди того времени предсказывали неудачу этой диковинке. Например, прусский король считал, что «никто не будет платить приличные деньги за то, чтобы добраться из Берлина в Потсдам за час, в то время, как можно на своей лошади потратить на ту же самую поездку день и ничего при этом не платить». При пуске первой железной дороги в России на первый поезд посадили солдат, так как у специалистов были опасения, что при такой огромной скорости в 60 км/ч – от быстрой смены пейзажей человек может сойти с ума. Но с ума никто не сошел, а там, где прокладывалась железнодорожная ветка, жизнь резко изменялась.

Бурно развивалось машино-, пароходостроение. Это потянуло за собой развитие станкоинструментальной промышленности, черной металлургии. Основным энергоносителем стал уголь, что привело к золотому веку угольной промышленности.

К группе мировых лидеров добавляются Германия и США. Увеличивается концентрация производства, и города становятся еще больше.

Российские начинания в области постройки и использования паровых двигателей так и остались уделом одиночек, таких как отец и сын Черепановы. Это привело к снижению темпов развития Российской империи, отставанию от передовых стран, обострению ее внутренних противоречий, революции и к распаду в 1917 г.

3-й технологический уклад. 1880–1930 гг. Катализатором нового технологического уклада снова стал двигатель – на этот раз электрический. Развивается тяжелое машиностроение, производство и прокат стали, строятся линии электропередач, бурно развивается неорганическая химия.

Группа лидеров: Германия, США, Великобритания, Франция, Бельгия, Швейцария, Нидерланды. Этот ТУ характеризуется повышением гибкости производства на основе использования электродвигателя, стандартизацией производства. Впечатляют успехи Соединенных Штатов Америки. Но еще больших успехов добились в Советском Союзе: ликвидируется неграмотность населения, неимоверными усилиями осуществляется электрификация страны, строятся металлургические и машиностроительные гиганты, и уже в следующий виток технологической гонки СССР вступает вместе с лидерами.

4-й технологический уклад. 1930–1970 гг. По традиции «виновником» перехода к новому технологическому укладу стал двигатель – это двигатель внутреннего сгорания. Начинается повсеместное строительство автомобильных дорог. Лошадь окончательно уступила место трактору. Для прокорма железного коня требуется уже не уголь, а бензин. Боеспособность армии стала определяться количеством моторов, поставленных на автомобили, танки, самолеты и корабли. В промышленности налаживается массовое и серийное производство. Из цехов выходят тысячи танков и автомобилей. Естественно, что для получения бензина из нефти требуется развитие нефтехимии и всей органической химии в целом.

США, страны Западной Европы получили мощного конкурента – СССР, имеющего после войны армады танков, самолетов и развитую промышленную базу, способную очень быстро эту армаду увеличить. Настало время биполярного мира, гонки вооружений между двумя сверхдержавами. Следствием этой гонки стало стремительное освоение космоса и проникновение в тайны использования ядерной энергии.

Вся новейшая история так или иначе связана с борьбой государств за источники и рынки углеводородов – основных современных энергоносителей. Сталинградская битва, решившая исход Второй мировой войны, была, пожалуй, самой ожесточенной битвой во всей известной истории цивилизации. Такой накал битвы в пустынных и бедных степях Приволжья объясняется совсем не тем, что город носил имя Сталина. Тот, кто владел Сталинградом и Волгой, владел путями доставки бакинской нефти, крайне необходимой для самолетов и танков воюющих держав.

Многие страны на постсоветском пространстве рассматриваются зонами стратегических интересов США, России и Евросоюза в основном потому, что являются транзитными для транспортировки газа в Европу.

С учетом того, что углеводородам в ближайшей перспективе нет достойной замены, уже сейчас начинается борьба за нефть и газ шельфа Северного Ледовитого океана. Но хочется надеяться, что человечество достаточно созрело для решения возникающих проблем мирным путем и найдется новый источник энергии, знаменующий переход к новой энергетической эпохе, не связанной с безвозвратной и нещадной эксплуатацией невосполнимых ресурсов земных недр.

5-й технологический уклад. 1970–2010 гг. Увлекшись количеством тракторов и тоннами выплавляемой стали на душу населения, в Советском Союзе как-то пропустили появление сущей мелочи – полупроводникового диода и транзистора. Именно эти «безделицы» нарушили уже сложившуюся традицию, связанную с тем, что новый технологический уклад начинается с двигателя. Появление полупроводников обусловило рождение новой промышленности – электронной. Это вызвало лавинообразное развитие вычислительной, оптико-волоконной техники, программного обеспечения, телекоммуникаций, роботостроения, сферы информационных услуг.

США в этот период еще больше укрепили свои позиции, а Советский Союз, не начавший вовремя переход к новому технологическому укладу, проиграл и распался. На сцену вышел новый лидер – Китай.

Однако глобальная конкуренция сегодня ведется не столько между странами, сколько между транснациональными воспроизводственными системами. Несколько таких систем, тесно связанных друг с другом, определяют глобальное экономическое развитие. Они формируют ядро мировой экономической системы, концентрирующее интеллектуальный, научно-технический и финансовый потенциал в развитых государствах.

Такие системы называются транснациональными корпорациями (ТНК). Эти корпорации, связанные с ядром мировой экономической системы, сегодня контролируют более половины оборота мировой торговли и финансов, наиболее прибыльные отрасли экономики разных стран, включая добывающую и наукоемкую промышленность, телекоммуникации, производственную инфраструктуру.

Многие ТНК превосходят по экономическому обороту крупные страны, подчиняют своему влиянию правительства, решающим образом воздействуют на формирование международного права и на работу международных институтов. Ведущие 500 транснациональных корпораций охватывают свыше трети экспорта обрабатывающей промышленности, ³/₄ мировой торговли сырьевыми товарами, ⁴/₅ торговли новыми технологиями, обеспечивают работу десяткам миллионам человек практически во всех странах мира.

Среди пятисот наиболее крупных и успешных фирм, действующих на мировом рынке, более двухсот – американских, около сотни – японских, чуть более полусотни – европейских.

К сожалению, ни одна российская компания к их числу не относится. Это свидетельствует о том, что Россия не вписалась в текущий технологический уклад и выбыла из числа мировых лидеров. Но не все потеряно, на дворе новая технологическая эпоха, последствия которой будут не менее захватывающими, чем результаты предыдущих.

6-й технологический уклад. После 2010 г. Новым катализатором технического прогресса становятся нанотехнологии. Они определяют появление генной инженерии, развитие альтернативной энергетики, новых конструкционных материалов, лекарств и т. п.

В России есть все необходимые предпосылки для восстановления статуса технологической державы. Прежде всего, это наличие развитой системы образования, науки и промышленности, что должно позволить нам научиться, наконец, разумно и бережно тратить огромные природные ресурсы, наличие которых должно стать нашим преимуществом, а не недостатком, тормозящим внедрение современных технологий в производство.

1. Значение изобретения парового двигателя для экономического развития Англии.

2. Пути изменения технологического уклада в современной России.

3. Сколково – пилотный проект инновационного пути развития России.

4. История развития отдельных транснациональных корпораций.

5. Влияние различных технологических укладов на стратегию и тактику военных действий.

6. Влияние генной инженерии на развитие сельского хозяйства.

1. Что нужно предпринять, чтобы Россия стала лидером нового технологического уклада?

1. Данилов Н.И. Использование ресурсов и энергии: учеб, пособие для элективного курса «Энергосбережение» в старших классах / Н.И. Данилов, Ю.Н. Тимофеева, А.П. Усольцев, Я.М. Щелоков, В.Ю. Балдин. – Екатеринбург, 2010.

2. Из истории науки / В.А. Тихомирова, А.И. Черноушан. – М.: Бюро Квантум, 1996.

3. Кудрявцев П.С. Курс истории физики: учеб, пособие для студентов пед. ин-тов по физ. спец. – 2-е изд., испр. и доп. – М.: Просвещение, 1982.

4. Лев В.Е Из чего все: Научно-художественная Литература. – М.: Дет. лит., 1983.

5. Надеждин Н.Я. История науки и техники. – Ростов н/Д: Феникс, 2006.

6. Официальный сайт журнала «Наука и жизнь». – www.nkj.ru

7. Сайт С.П. Курдюмова «Синергетика». – spkurdyumov.narod.ru

1.3. Техническая эволюция

На ход эволюции не могут влиять чьи-то личные «хочу – не хочу». Бесполезно пытаться влиять на ураган, землетрясение или наводнение. Предугадать невозможно, сопротивляться бесполезно.

Харуки Мураками

В повести Станислава Лема «Непобедимый» механизмы, способные к самовоспроизведению и самоусовершенствованию, вступили между собой в битву за выживание. В результате естественного отбора на этой планете началась эволюция механизмов, в точности похожая на эволюцию живых организмов. В другом своем произведении «Сумма технологий» Станислав Лем прямо проводит параллель между биологической и технологической эволюцией, осуществляющимися по одинаковым законам. И это сходство не случайно, так как основу обоих процессов составляют изменчивость и отбор (табл. 2).

Впервые сходство эволюционных ролей генома и технической документации отметил в середине 1970-х годов советский инженер Б.И. Кудрин. Он увидел, что различные виды насосов на Магнитогорском металлургическом комбинате вытесняют (конечно, посредством человека) друг друга подобно конкурирующим видам животных.

В живой природе набор генов подвергается случайным мутациям и постоянным скрещиваниям. Особо удачные сочетания генов передаются потомкам по наследству от тех, кто выжил в конкурентной борьбе. В технике тоже есть своего рода геном – это те удачные идеи, которые передаются в чертежах, изделиях, технологиях производства. Естественно, что копируются, развиваются и совершенствуются только те технические решения, которые успешно прошли испытание практикой и рыночной конкуренцией.

Таблица 2

Сравнение эволюционных процессов в живой природе и технике

Аналогия между развитием техники и природы может быть продолжена. Совокупность популяций разных видов живых существ, населяющих определенный участок водоема или суши, и связанных между собой отношениями с приспособленностью к условиям окружающей среды, в биологии получила название биоценоза. Там, где растут кедры, могут жить клесты и многие другие виды животных, которые питаются кедровыми шишками или теми, кто питается этими шишками. В сибирском болоте встречаются вместе одни виды животных и растений, в арктических водах – другие.

В технике также можно выделить некоторую совокупность механизмов, которая свойственна для отдельных техногенных образований. Само название этой совокупности – техноценоз, подчеркивает аналогию с биоценозом. Например, в метро мы обязательно встретим турникеты, эскалатор, обширное семейство вентиляторов, очень много самых разнообразных осветительных устройств и пр. Они тоже могут быть связаны между собой: эскалатор не сможет работать, если отсутствует электродвигатель. Понятно, что технический мир, скажем, авианосца будет более разнообразным и сложным, чем техника торгового центра, примерно так же, как мир пустыни будет отличаться от мира джунглей Амазонки. Встретить на военном корабле турникет будет так же странно, как увидеть жирафа, пасущегося в тундре.

«Вымирание» одних технических видов приводит к исчезновению и тех, которые с ними тесно связаны. Как только водобойные молоты на уральских заводах были вытеснены паровыми молотами, век водяных мельниц закончился.

В процессе эволюции реакция живых организмов на воздействие окружающей среды постепенно усложнялась: холоднокровная змея в случае резкого похолодания просто впадает в оцепенение, а какой-нибудь суслик начинает рыть себе норку. Амеба может что-то есть, а может и не есть – на этом диапазон ее возможных реакций на внешнюю среду практически исчерпывается, тогда как действия вороны, пытающейся добыть пельмени из повешенной за окном сумки, представляются нам чуть ли не разумными.

Реакцию телеги на внешние воздействия, так же как реакцию амебы, нельзя назвать разнообразной – она едет туда, куда ее тянет лошадь. Современный автомобиль может сам включать фары, когда становится темно, работать стеклоочистителями, если вдруг пойдет дождь, не трогаться с места, если водитель не пристегнут ремнем безопасности и т. п. Действия становятся настолько разнообразными, что владельцу иногда кажется, что его «железный конь» обладает разумом.

Многочисленные фантасты, предсказывающие появление искусственного разума, имеют на это все основания. Если эволюция живой природы завершается появлением человека, то эволюция техники, по логике, также должна привести к созданию разума.

Но не будем дальше углубляться в этот очень интересный и захватывающий вопрос. Отметим лишь, что принципиальная разница между живой и технической эволюцией заключается только в том, что техническая эволюция опосредована человеком, своего рода творцом, богом технического мира, поэтому борьба «технического вида» за выживание начинается задолго до его рождения в головах людей и условно может быть разделена на четыре этапа.

I – этап мысленного конструирования. В сознании конструктора в процессе создания изделия рождается множество различных вариантов решения технической задачи как изготовления машины в целом, так и отдельных ее частей и механизмов. Такие «мутации» осуществляются на основе возникновения и распада нейронных связей в мозгу, происходящих за сотые доли. Еще до того момента, как будет осуществлена попытка построения модели будущего изделия в виде чертежа, огромное множество конкурирующих вариантов «умрет» в сознании конструктора. Выживут только наиболее удачные, имеющие шанс на реальное воплощение. В результате такого естественного отбора, в миллионы, а может быть в миллиарды раз более быстрого, чем природный, происходит рождение идеи, замысла будущего технического детища.

При создании чертежей начинается естественный отбор уже на уровне отдельных узлов и механизмов, что позволяет совершенствовать строение будущего изделия, минуя миллионы лет генетических мутаций и изменений. Конструктор может, подумав минуту, увеличить площадь гусениц проектируемого трактора, чтобы он не проваливался при перемещении по болотистой местности, а природе, чтобы создать кожистые перепонки на копытах лося, потребовались миллионы лет естественного отбора.

II этап практического создания. При практическом воплощении чертежей в реальность, на первых же испытаниях создаваемой машины всегда возникают проблемы, которые не могли быть выявлены на предыдущей стадии. Как бы ни старался конструктор предусмотреть все возможные затруднения, реальность оказывается всегда сложнее, чем мы предполагали.

Так, например, испытания первого в мире дирижабля закончились для его изобретателя и пилота – француза Жиффара весьма неожиданно. Мощность двигателя аппарата оказалась недостаточной для движения против ветра, и смельчака унесло в лес к неудовольствию многочисленных зевак, собравшихся на парижском ипподроме. Понятно, что в дальнейшем Жиффар увеличил мощность парового двигателя, что привело к уменьшению грузоподъемности дирижабля.

То же самое происходит и в природе: если лось при бегстве от волков оказывается на снежном насте и снежная корочка не выдерживает давления его тяжелого тела, то он становится легкой добычей для хищников, строение тела которых оказалось легким и весьма удачным для данной конкретной ситуации.

Конечно, природа могла бы (а может, так и было) еще более увеличить площадь его копыт и превратить их в некоторое подобие лыж или ластов. Но в этом случае лось с ластами потерял бы быстроходность на твердой земле. В результате долгих миллионов лет перебора вариантов, не закончившегося и сегодня, формируется оптимальное соотношение между быстротой движения по глубокому снегу и по твердой земле. Точно так же изобретатель подбирает оптимальное соотношение между быстротой и грузоподъемностью своего дирижабля.

Может оказаться, что в настоящее время нет конструкционных материалов и технических решений для воплощения задуманной технической диковинки. В этом случае инновация прекращает свое существование еще на стадии рождения и вновь возрождается только при появлении соответствующих условий. Например, создание персонального компьютера невозможно без полупроводниковых транзисторов, создание дальнобойной пушки без прочной стали закончится разрывом ствола и гибелью экспериментаторов. Трудно себе представить броненосец без парового котла, как и самолет без двигателя внутреннего сгорания или реактивного двигателя.

В условиях природного естественного отбора и временной растянутости всех изменений невозможно представить ситуацию, когда вдруг начал появляться новый вид каких-нибудь сверхгигантских жирафов, спина которых не выдерживала бы их веса и ломалась при попытке нагнуться. В природе новые конструкционные материалы и отдельные функциональные узлы появляются постепенно вместе с изменениями видов, но если уж возникли, то начинают максимально использоваться всеми модификациями потомков. Например, появление твердого панциря у морских животных оказалось удачным и «пошло в тираж» в разных видах – от улитки до черепахи. Глаз и вовсе оказался весьма полезным устройством и стал входить в базовую комплектацию почти всех новых моделей, появившихся за последние полмиллиарда лет, даже тех, которым он особенно и не нужен, таких как, например, крот.

III – этап массового копирования и производства. Иные трудности начинают возникать при массовом производстве новорожденного изобретения, так как количество разнообразных факторов, существенно влияющих на его дальнейшую судьбу, значительно возрастает.

Легендарный танк Т—34 оказался лучшим из всех во Второй мировой войне во многом благодаря тому, что был очень прост и недорог в производстве, а немецкий тяжелый танк «Тигр», по многим показателям превосходивший советские танки, был капризен в эксплуатации, но, самое главное, очень дорог. Поэтому количество произведенных «Тигров» даже близко не смогло сравняться с количеством выпущенных «тридцатичетверок».

В природе также можно найти примеры, когда вид компенсирует свои недостатки массовым и нетрудоемким производством. Рыба-луна производит несколько миллионов икринок. При таких масштабах икрометания даже при гигантских потерях на пути от икринки до взрослой особи популяция не исчезает.

IV – этап коммерческой реализации. Если не будет спроса на выпущенную продукцию, массовое производство быстро прекратится, а производитель разорится. Самое главное условие выживания технической инновации – это спрос, готовность людей платить деньги за ее приобретение и использование, превышающие траты на ее производство. Это последний и решающий этап тернистого пути от малька-изобретения до взрослой инновации, успешность которой определяется сложными взаимоотношениями с окружающей средой.

Во-первых, успешность определяется сложностью эксплуатации, развитостью соответствующей инфраструктуры. Автомобили с водородными двигателями существуют и сейчас, но конкуренцию традиционным автомобилям они смогут составить только тогда, когда повсеместно будут установлены водородные заправки и обеспечен соответствующий автосервис.

Во-вторых, быстрота продвижения инновации зависит от ее взаимодействия с существующей технической средой, она должна занять свою нишу и стать востребованной и даже необходимой, вступить во взаимовыгодный симбиоз с другими техническими видами. Цифровой фотоаппарат никогда не стал бы столь популярным и не вытеснил бы пленочный, если бы не было персонального компьютера, а навигатор не был бы таким компактным и удобным без искусственных спутников, радиолокаторы не особенно нужны, если в небе не летают самолеты. В природе такая взаимозависимость хорошо известна: не будет мышей, не будет и сов, если бы не было акул, то и не было бы рыб-прилипал.

Ну и, в-третьих, новичку необходимо победить в битве с конкурирующими техническими изделиями, занимающими ту же нишу. Сходство с борьбой в живой природе становится очевидным: ондатра, однажды неосторожно завезенная в реки средней полосы России, чуть полностью не вытеснила более привередливого и менее наглого местного бобра. Кролики, попавшие в Австралию, так расплодились, что чуть не уничтожили всю травоядную австралийскую живность, которой просто не осталось никакой пищи. А млекопитающие, благодаря своей хитрости, выносливости и приспособляемости, смогли заменить более сильных динозавров в природе, теперь они едят мороженое и рассматривают ископаемые кости побежденных конкурентов в своих музеях.

Цифровые фотоаппараты, едва приблизившись по качеству снимков к пленочным, моментально их уничтожили, лишив нас таинства проявления и закрепления фотографий в ванной. Гордые парусники исчезли под напором вечно дымящих пароходов, которые, в свою очередь, уступили место теплоходам и атомоходам. Граммофоны и патефоны были вытеснены проигрывателями виниловых пластинок, которые еще быстрее уступили место магнитофонам. Магнитофоны были за несколько лет отправлены в музей цифровыми проигрывателями, использующими CD-диски и флеш-карты.

В итоге, при благоприятном стечении всех вышеназванных и многих других обстоятельств (цена, качество, мода, экономическая ситуация и т. п.), удача может улыбнуться новичку: появляется долгожданный покупательский спрос, за новинкой выстраиваются очереди, на производителя проливается денежный дождь. Так над пылесосом изобретателя Бута долго потешались, пока его не начали использовать для уборки в королевской Британской семье вместо традиционного веника. Такая замена и называется техническим прогрессом.

1. Техноценозы и закономерности их появления и развития.

2. Техноценоз металлургического завода.

3. Техноценоз атомного авианосца.

4. История развития средств связи (до изобретения радио).

5. Естественный отбор в технической эволюции (на примере развития средств звукозаписи).

6. Технический симбиоз.

1. Искусственный разум – конкурент или помощник человека?

2. Развитие техники – фактор деградации или развития человека?

1. Горбань А.Н., Хлебопрос Р.Г. Демон Дарвина: идея оптимальности и естественный отбор. – М.: Наука, 1988.

2. Варшавский В.И., Поспелов Д.А. Оркестр играет без дирижера: размышления об эволюции некоторых технических систем и управлении ими. – М.: Наука, 1984.

1.4. Энергетические эпохи

Если вы не думаете о будущем, то его у вас и не будет.

Джон Голсуорси

Исторические эпохи можно разделять по разным основаниям: по сменам общественно-экономических формаций, по существованию империй, по основному конструкционному материалу и т. п. Но одной из фундаментальных причин, определяющих смену экономических формаций, взлет и падение империй и целых цивилизаций, является смена господствующего источника энергии и зависящей от него энерготехники. Поэтому вполне разумно рассматривать историю человечества как последовательную смену энергетических эпох.

Эпоха мускульной энергетики. За этот период источником энергии служила химическая энергия пищи, превращающаяся в мускульную силу человека, а позже и прирученных животных. Верблюды, ослы, лошади, буйволы, быки, ламы, олени, собаки, слоны и даже страусы – все эти животные являлись энергетическими двигателями древних эпох в разных странах и на разных континентах. На них возили товар, распахивали землю, качали воду, поднимали грузы и т. п. Наличие такого энергоисточника в хозяйстве было необходимым условием выживания, показателем благополучия. Коэффициент полезного действия таких «генераторов» определялся их индивидуальными физиологическими показателями и увеличивался посредством простых механизмов – хомута и подковы, рычага, ворота, блока и т. п.

Могущество государства уже тогда определялось его энергообеспеченностью, выражающейся в количестве рабов, ослов лошадей и т. п. Лошади, верблюды, быки в некоторых странах и цивилизациях являлись своего рода «твердой валютой», в которую вкладывали свои сбережения, производили расчеты, брали дань и т. п. С помощью мускульной силы люди древности строили такие сооружения, масштабы которых поражают до сих пор. Египетские пирамиды, города Майя, Великая Китайская стена, Московский Кремль – все эти величественные сооружения построены исключительно на энергии человека и животных.

В течение этой эпохи невозобновляемые энергоресурсы, к которым относятся органические ископаемые, такие как каменный уголь, нефть и газ, продолжали накапливаться. И это продолжалось примерно до VIII–X вв.

Затем наступила эпоха механоэнергетики, длившаяся до XVIII в. В этот период человек стал дополнительно использовать механическую энергию возобновляемых энергоресурсов – речной воды и ветра. Для этих целей использовались водяные колеса и ветряные крылья. Человек получил в свое распоряжение силы, во много раз превосходящие его собственные и силу домашних животных. Вместо рабов, вращающих какой-нибудь ворот водяного насоса, потребовались ремесленники, плотники, кузнецы. Рабовладельческий строй стал экономически невыгодным и сменился феодальным.

Водяные и ветряные мельницы стали центрами, определяющими уклад средневековой жизни. Мельник был самой главной и значительной фигурой средневекового производства. Чаще всего владельцем мельницы и был феодал. Ветряная мельница – обязательный элемент средневекового пейзажа.

Энергетические ресурсы в эту эпоху полностью восстанавливались, а окружающая среда оставалась практически в первозданном виде.

Вёсельный флот, движимый энергией гребцов, уступил место парусному кораблю – символу технического прогресса того времени, вбирающему в себя все самые передовые технические решения и инновации.

Те страны, которые оказались технически способны к постройке и эксплуатации большого количества парусных кораблей, стали прирастать новыми землями. Великобритания, Испания, Португалия соперничали между собой за колонии во всех уголках земного шара. Их борьба двигала мировую историю с XV по XVII в., результаты которой во многом определили облик современного мира. Испанский, португальский и английский языки именно в это время распространились по всему миру, и сегодня являются государственными языками многих стран.

Благодаря достижениям кораблестроения, навигации, картографии, парусный корабль покорил всю землю, включая суровую Антарктиду. Имена бесстрашных путешественников, таких как Христофор Колумб, Васко да Гама, Америго Веспуччи, Фернан Магеллан, навсегда вписаны в историю. Открытие новых торговых маршрутов стимулировало приток капитала, развитие торговли и культуры. Звездное время парусного флота получило название эпохи Великих географических открытий. Своей красотой, совершенством, изощренностью технических решений и искусством выполнения работы парусные корабли поражают и сегодня, они навсегда останутся символом романтики и путешествий.

Однако совершенство парусника стало и причиной его гибели. Парусный флот послужил одним из факторов, во многом определившим завершение романтической эры энергии воды и ветра, уступившей место практичной и деловой эпохе химической теплоэнергетики, которая длится до сих пор.

Главным источником энергии становится химическая энергия, выделяющаяся при сгорании органических ископаемых ресурсов – каменного угля, нефти и т. д. А основной движущей силой является энергия пара или газов, используемая в тепловых двигателях. Изобретение тепловых двигателей качественно изменило энергетические возможности человека. Он перестал зависеть от прихотей ветра, смог оторваться от рек, служивших не только источниками энергии, но и являющихся основными торговыми путями.

Принципиальное отличие этой эпохи состоит в том, что человечество уничтожает ресурсы, доставшиеся ему как результат процессов, протекавших на Земле миллионы лет и имевших своим первоисточником энергию Солнца. Все это сопровождается загрязнением окружающей среды продуктами сгорания и отходами производства. Загрязнение окружающей среды, в том числе и радиационное, начинает тормозить развитие традиционных энергетических технологий.

В связи с этим продолжается активный поиск альтернативных источников энергии, способных заменить энергию сжигания органического топлива.

1. Простые механизмы на стройках Древнего мира.

2. Устройство водяных мельниц.

3. Устройство и принцип действия ветряных мельниц.

4. История развития упряжи и рабочих инструментов для лошадей.

1. Источники энергии будущего.

1. Данилов Н.И. Использование ресурсов и энергии: учеб, пособие для элективного курса «Энергосбережение» в старших классах / Н.И. Данилов, Ю.Н. Тимофеева, А.П. Усольцев, Я.М. Щелоков, В.Ю. Балдин. – Екатеринбург, 2010.

2. Ваганов А. От хомута до автомобиля. Инновации как самый древний способ управления обществом // Независимая газета, – 2006.-№ 11–14.

3. Военно-исторический портал античности и средних веков. – www.xlegio.ru

1.5. Энергосбережение и устойчивое развитие

Мир достаточно велик, чтобы удовлетворить нужды любого человека, но слишком мал, чтобы удовлетворить людскую жадность.

Махатма Ганди

История развития живой природы свидетельствует о том, что источником движения биологической эволюции является постоянно сохраняющееся противоречие между безграничной способностью живых организмов к воспроизводству и ограниченными возможностями материальных ресурсов внешней среды. Вид, получивший преимущество перед другими видами, распространяется до тех пор, пока не сталкивается с недостатками тех ресурсов, которые необходимы именно этому виду. Отсутствие достаточного количества пищи, жилья, жизненного пространства приводит к уменьшению популяции вида, а иногда и к его полному исчезновению.

Если в качестве такого вида рассматривать человечество, то основной ресурс, без которого человек не сможет выжить, – это ресурс энергетический. Формула энергетического обеспечения развития современного общества определяет: чтобы повышать благосостояние общества, необходимо постоянно увеличивать расход энергии. Но это увеличение не может продолжаться бесконечно, любые запасы ограничены, и поэтому рано или поздно они закончатся. И тогда человечество неизбежно столкнется с необходимостью кардинального уменьшения энергетических затрат.

В основных выводах XV конгресса Мирового энергетического совета, состоявшегося в 1992 г., говорится, что органическое топливо останется основой энергообеспечения; его абсолютное потребление возрастет при любых реалистичных сценариях; по крайней мере, на ближайшие 30 лет не просматривается появление ни одного нового источника энергии.

Выводы ученых, а также разнообразные программные документы международных организаций свидетельствуют о том, что многие параметры экономического и популяционного роста человечества остаются практически бесконтрольными. В настоящее время преобладает режим перепотребления, т. е. мы тратим больше, чем природа может восстанавливать. Этим, в первую очередь, объясняется то, что человечество как развивающаяся система все чаще и чаще сталкивается с кризисными ситуациями, многие из которых носят межгосударственный характер. Ярким подтверждением этому являются события 70-х годов XX столетия, которые вошли в историю как энергетический кризис. После того как развитые страны столкнулись с проблемой нехватки энергии, они сделали из этого выводы и уже тогда коренным образом пересмотрели свою энергетическую политику. Экологический кризис, спровоцированный неразумным поведением человечества, по своим масштабам будет намного более разрушительным для экономики, чем все предыдущие экономические кризисы.

Называются обычно несколько причин, способных привести к столь печальным последствиям:

• возросшие масштабы производства, качественно изменившие влияние промышленных выбросов на окружающую среду. Они перестали носить локальный характер, а стали вызывать глобальные нарушения природного равновесия;

• сохраняющаяся и даже возрастающая степень опасности складов ядохимикатов, вооружений, захоронений отходов, в том числе радиоактивных, последствия аварий, взрывов или пожаров. Все это может иметь дополнительные катастрофические последствия;

• возрастающий прирост численности населения Земли (в основном в слаборазвитых странах) в сочетании со значительным различием в уровнях потребления сырьевых ресурсов, топлива, энергии, продуктов питания в странах с развитой и слаборазвитой экономикой привел к значительной разнице между уровнями жизни в разных странах. Согласно разным оценкам, примерно 25 % населения Земли потребляет до 80 % всех добываемых в мире ресурсов.

Чтобы обеспечить условия жизни во всех странах мира на уровне стран с развитой экономикой, добычу ресурсов, энергии следует увеличить в несколько раз, а это вызовет дальнейшие негативные последствия для биосферы. Считается, что природа способна воспроизводить изъятые у нее биологические ресурсы, если изымается не более 1 % имеющегося их количества. По оценкам специалистов, этот предел превышен на Земле более чем в 10 раз. Следовательно, для многих источников, важных для мировой экономики, и выбросов отходов производства выход за допустимые пределы уже произошел.

Создается впечатление, что Человечество загоняет себя в тупик. Предотвращение подобной ситуации возможно только одним путем – необходимо решать вопрос рационального расхода энергии, снижения ее удельных затрат. Возникла необходимость изменения самого характера развития общества, его ценностей. Это направление человеческой деятельности получило название – «энергосбережение».

Энергосбережение – это комплекс мер, направленных на эффективное использование энергии и материальных ресурсов, в первую очередь, невозобновляемых первичных источников энергии в виде органических минеральных горючих.

Бережное расходование энергии и ее получение на основе возобновляемых источников энергии – ветра, солнца, биомассы и т. д. позволит уже сегодня решить массу экологических проблем, снизить в несколько раз усилия на постоянные поиски новых ископаемых источников энергии и их освоение.

Это позволит не только зарезервировать для потомков часть запасов ископаемого топлива, но использовать эту категорию ресурсов для неэнергетических потребностей – производства химических продуктов, лекарств, всевозможных препаратов.

Но для этого необходимо понимание всем обществом того, что рост благосостояния населения возможен только в условиях увеличения полезного расхода энергии, роста ее душевого потребления и того, что в любой, даже самой богатой энергоресурсами стране требуется ее рациональное использование и экспортирование с целью сохранения для будущих поколений запасов топлива в виде невозобновляемых ресурсов.

В России с ее богатыми природными ресурсами, в первую очередь, топливно-энергетическими, до последнего времени энергетика привычно рассматривалась как единственный источник развития промышленного производства. Топливно-энергетический комплекс (ТЭК) дает до сих пор практически от трети до половины всех валютных поступлений. Но такое положение не может сохраняться долго, поскольку энергоемкость промышленного производства и социальных услуг и так оказалась в несколько раз выше общемировых показателей. Это делает нашу жизнь недопустимо энергорасточительной, а продукцию неконкурентоспособной не только на мировом, но и на внутреннем рынке. Только менее одной трети добываемых топливно-энергетических ресурсов идет в конечном итоге на обеспечение прямых и косвенных энергетических услуг населению. Еще одна треть сырьевых ресурсов идет на экспорт, а остальная безвозвратно теряется в самой системе энергопоставок, не давая при этом никакого полезного эффекта для конечного потребителя.

Россия сегодня стоит перед выбором возможного сценария своего развития. Тот сценарий, который был выбран на последнее десятилетие XX в., способствовал развитию крайне нежелательных тенденций с утратой интеллектуального и культурного потенциала страны, превращения ее в сырьевую базу и источник дешевой рабочей силы для развитых стран. В экономическом плане однобоко развиваются топливно-энергетический и сырьевой комплексы при оттоке капиталов за рубеж и сохранении финансовой зависимости от международной финансовой элиты.

Нашему обществу необходимо установление соответствия между ростом материального производства, его энергообеспечения и сохранением экологических ресурсов (воды, воздуха, почвы). Эту задачу не решить только за счет повышения квалификации узких специалистов в области энергетики. Каждый должен научиться рационально расходовать энергию, а это возможно только при освоении широкими слоями населения основ культуры потребления энергетических ресурсов. Эта культура проявляется в повседневной жизни и заключается в обязательном выполнении ряда энергетических ограничений. Цель подобных ограничений – повышение энергоэффективности использования наших природных ресурсов в интересах нынешнего и будущих поколений.

Выход из этой опасной зоны, из состояния с возможными необратимыми катастрофическими последствиями – в построении и реализации своей национальной модели «устойчивого развития», т. е. стабильного социально-экономического развития, не разрушающего своей природной основы.

Понятие «устойчивое развитие» появилось в начале 70-х годов XX в. и получило широкое распространение в мире после опубликования в 1987 г. Международной комиссией по окружающей среде и развитию (МКОСР) доклада «Наше общее будущее». В нем дано определение «устойчивого общества» как общества, удовлетворяющего нужды сегодняшнего поколения, не лишая при этом будущие поколения возможности удовлетворять их собственные нужды.

Устойчивость не предполагает отсутствия роста. Общество, одержимое навязчивой идеей постоянного роста, воспринимает любую критику роста как полное его отрицание. Устойчивое общество должно быть заинтересовано в качественном развитии, а не в физическом росте. Материальный рост в нем – обдуманное средство, а не вечное право. В устойчивом обществе нищета не может и не должна символизировать устойчивость. По моральным и практическим причинам любое устойчивое общество должно обеспечивать материальный достаток и гарантии для всех. Устойчивому миру понадобятся свои правила, законы, стандарты, границы и, конечно, социальные соглашения, как и любой человеческой культуре. Ряд правил должен отличаться от тех, которыми люди руководствуются сегодня. Некоторые виды такого контроля уже существуют, например, международное соглашение по озоновому слою, соглашение по ограничению выбросов парниковых газов, закрепленное Киотским протоколом и др.

Таким образом, устойчивое развитие может рассматриваться как реализация стратегии выживания и непрекращающегося развития отдельной страны и цивилизации в целом в условиях сохранения биосферы, с переходом в ноосферу (сферу разума). Конечно, такой переход, если он и возможен практически, неизбежно приведет к возникновению ряда новых противоречий в обществе.

В Концепции перехода Российской Федерации к устойчивому развитию (принята Указом Президента РФ от 01.04.96 № 440) отмечается, что устойчивое развитие – объективное требование времени и его конечная цель – постепенное восстановление естественных экосистем до уровня, гарантирующего стабильность окружающей среды. И достижение этой цели возможно только через полный отказ от нынешнего стереотипа мышления, пренебрегающего ограниченными возможностями биосферы, требованиями экологической безопасности.

Предполагается, что рыночные механизмы в сочетании с мерами государственного регулирования должны сформировать экономические стимулы бережного отношения к природным ресурсам и окружающей среде всех предприятий, будь то огромный металлургический комбинат или небольшое фермерское хозяйство.

Задачи, которые надо решить при переходе к устойчивому развитию, состоят в следующем:

• вести и развивать хозяйственную деятельность не путем все большего потребления природных ресурсов, а на основе массового внедрения энерго– и ресурсосберегающих технологий, чтобы брать от природы ровно столько, сколько она способна без ущерба возместить;

• добиться коренного улучшения состояния окружающей среды за счет экологизации экономической деятельности.

Решение этих задач требует целенаправленных изменений структуры экономики, изменения личного и общественного потребления. Каждый должен бережно использовать электроэнергию, газ, воду, тепло, независимо от своего благосостояния. Даже миллиардер должен помнить, что если на Земле закончатся чистый воздух или вода, то их нельзя будет купить ни за какие деньги.

Основные направления перехода России к устойчивому развитию включают:

• создание соответствующей системы воспитания и обучения;

• оценку возможностей экологических систем разных регионов по воздействию на них промышленными и сельскохозяйственными предприятиями;

• приведение воздействия на природу в соответствие с ее возможностями по полному устранению негативного эффекта.

Рассмотрен в Концепции и региональный аспект устойчивого развития, которой предполагает:

• реконструкцию региональной промышленной системы с учетом хозяйственной емкости локальных систем;

• развитие сельского хозяйства на основе экологически прогрессивных агротехнологий, адаптированных к местным условиям;

• осуществление мер по оздоровлению населения, развитию социальной инфраструктуры, повышению качества жизни.

К основным показателям качества жизни предлагается отнести:

• продолжительность жизни человека;

• состояние его здоровья;

• отклонения состояния окружающей среды от нормативов;

• уровень знаний или образовательных навыков населения;

• доход (измеряемый валовым внутренним продуктом на душу населения);

• уровень занятости;

• степень реализации прав человека.

В качестве целевых и ограничивающих параметров устойчивого развития в экологической сфере предлагаются:

• уровни удельного (на душу населения и единицу валового внутреннего продукта) потребления энергии и других ресурсов, а также выхода выбросов, сбросов и отходов;

• показатели качества атмосферы, вод, территорий, находящихся в естественном и измененном состоянии и др.

Достижение всех этих параметров является стратегической задачей, так как переход к устойчивому развитию представляет единственно возможный путь дальнейшего развития всей мировой экономики и, в том числе, российской.

1. Возможности энергосбережения в жилых помещениях.

2. Энергосберегающий дом будущего.

3. Энергосбережение в нашей школе.

4. Международное сотрудничество в решении проблемы глобального потепления.

5. Использование энергосберегающих технологий в промышленности.

6. Сотовая энергетика – энергетика будущего.

7. Проблема утилизации отходов.

1. Мусор – угроза жизни или неисчерпаемый источник энергии и ценного сырья?

2. Устойчивое развитие – единственно возможный путь развития цивилизации?

1. Данилов Н.И. Использование ресурсов и энергии: учеб, пособие для элективного курса «Энергосбережение» в сткарших классах / Н.И. Данилов, Ю.Н. Тимофеева, А.П. Усольцев, Я.М. Щелоков. Екатеринбург, 2010.

Глава II

Основные технические инновации в истории человечества

Сегодня, глядя на огромные автомобильные заторы на дорогах из окна застрявшего в них автомобиля, мы отчетливо понимаем, что технические устройства определяют жизнь не только отдельно взятого человека, но и оказывают кардинальное влияние на все человечество в целом.

Но не все инновации оказали одинаковое влияние на нашу жизнь: изобретение застежки-молнии оказалось хоть и полезным изобретением, но не судьбоносным. Не будь ее, обошлись бы пуговицами или «липучкой».

Главные праинновации, «родившие» человека – это изобретение первых орудий труда, колеса, лодки, изобретение лука и пращи. Таких инноваций в древности было не так много, и каждая из них повлияла на дальнейший ход всей нашей истории. Среди более поздних инноваций особо выделяются те, которые стали ключевыми факторами изменения технологических укладов (это изобретение парового, электрического двигателей, двигателя внутреннего сгорания, полупроводников). Конечно, обойти их стороной никак невозможно.

Были и другие важнейшие инновации, появление которых не изменило технологического уклада, но изменило нас. К такой инновации можно отнести радио и всех его «потомков»: массовое радиовещание и телевидение. Именно они определяют сегодня общественное сознание и объединяют все страны в один новый, информационный мир.

К инновациям, о которых необходимо рассказать, мы также отнесли изобретения, связанные с электрическим освещением. Искусственный свет тоже нас сильно изменил: как оказалось, с появлением электрического света люди в среднем стали спать меньше на несколько часов! Если полюбоваться из космоса на

ночную сторону нашей планеты, то можно увидеть именно эти инновации в виде светящихся паутин городов и ниточек дорог.

Кто-то скажет, что изобретение газо– и электросварки металлов, создание резины и пластмассы тоже являются очень важными инновациями. Не было бы их, не было бы и самолетов, кораблей, подводных лодок. И с этим невозможно спорить. Но при выборе одного варианта из множества равно достойных всегда проявляется субъективный фактор, связанный с личными предпочтениями выбирающего. Мы сделали свой выбор и указали его основания. Поэтому в следующей главе приведены некоторые из инноваций, оказавших огромное влияние на развитие человечества.

2.1. Древние инновации

Не было гвоздя, – подкова пропала.

Не было подковы, – лошадь захромала.

Лошадь захромала, – командир убит.

Конница разбита, армия бежит.

Враг вступает в город, пленных не щадя,

Оттого что в кузнице не было гвоздя!

С.Я. Маршак

Инновации, «родившие» человека

Самой древней инновацией можно считать изготовление каменных рубил нашим далеким предком Homo habilis (человеком умелым) около 2–2,5 млн лет назад. Умелости ему хватало ровно на то, чтобы с помощью одного камня разбить другой камень. Если это был галечный камень, то получался острый край с одной стороны и удобная поверхность для держания с другой. Такое орудие было значительно прочнее и острее зубов и ногтей, и тот, кто получил этот инструмент первым в истории, начал пользоваться приятными плодами инновации: он стал сильнее окружающих, поэтому он больше ел и дольше спал.

Пролетело каких-то 2 млн лет, и около 800 тысяч лет до н. э. человек уже занялся инновацией не только в использовании простейших орудий труда, но и в области технологии изготовления орудий труда. Теперь он уже не просто бил одним камнем по другому «как получится», а целенаправленно обрабатывал камень серией мелких, специально направленных ударов (называется такая техника ретушью) для создания требуемого инструмента. Появилась специализация инструментов: изготавливались скребки для разделки туш убитых животных, наконечники для дротиков, камни для рубки древесины и т. п.

Тот, кто умел выполнять такую тонкую работу лучше других, становился «специалистом», очень важным для племени. Началась общественное разделение, в племенах появилось некое подобие внутренней общественной структуры. Чтобы умение сохранилось в племени, выработанные навыки умелец должен был передавать другим. Для этого было необходимо общение посредством речи.

Затем люди научились искусственно добывать огонь с помощью трения или высекания искр из камней. Первые искусственно сделанные жилища, представляющие центральное дерево с прислоненными к нему шатром ветками, приобрели очаги, каменные стенки которых защищали пламя от ветра и конденсировали тепло.

Покорение огня и создание очагов в первых жилищах сделали человека менее зависимым от прихотей меняющейся погоды и дали ему новые преимущества в борьбе с животными за свое выживание.

Следующий тип инноваций связан с использованием новых конструкционных материалов. Кроме камня, люди стали использовать кости, дерево, глину. Примитивная глиняная посуда позволила человеку дольше хранить пищу, т. е. повысить эффективность использования добычи. Первые ткацкие станки V в. до н. э. позволили получить новый материал, который в сочетании со звериными шкурами сделал одежду человека более удобной и практичной. Все это обеспечило следующий важный шаг по пути независимости людей от природы – переход от охоты и собирательства к земледелию и скотоводству.

Таким образом, примитивные, на первый взгляд, инновации, такие как каменные рубила и очаги с огнем, оказались судьбоносными. Это был качественный скачок, отделивший человека от животных. Поэтому мы смело можем сказать, что человек создал инновацию, но и инновация создала человека. Не будь первых изобретений – не было бы и человечества.

Простые механизмы

Первыми техническими инновациями, давшими огромный импульс развития, конечно же, стали такие простые механизмы, как рычаг, салазки, наклонная плоскость и колесо.

Эти приспособления позволили человеку резко повысить свою энергообеспеченность, хотя, как известно, использование рычага не дает никакого выигрыша в работе: выигрываем в силе, проигрываем в расстоянии. Но приведем конкретный пример: пусть человеку требуется поднять очень тяжелый камень, настолько тяжелый, что поднять его без рычага (или более сложной системы рычагов) невозможно. Использование механизма, пусть даже при низком КПД, позволяет все же достичь требуемого результата и совершить необходимую работу. Попытка поднять камень без технической поддержки обречена на неудачу, камень, несмотря на наши титанические усилия, останется лежать на своем месте, и совершенная работа будет равна нулю. Использование колеса уменьшает силу трения при транспортировке грузов и значительно повышает тем самым КПД. Прототип колес – катки, которые подкладывали под тяжелый транспортируемый груз.

Результаты использования простых механизмов мы можем видеть и сегодня – это исполинские сооружения древних египтян. Для постройки пирамид была необходима доставка огромных каменных глыб из каменоломен Мемфиса и подъем их на огромную высоту. Для доставки применялись салазки, под которые подкладывали катки, а для подъема – шадуфы (журавли с противовесами) и наклонные плоскости.

Для подъема камня насыпали огромный пандус, по которому втаскивали каменные блоки. По мере роста пирамиды насыпали новые пандусы. Когда же сооружение было готово, песок убирали.

Таким весьма трудоемким способом удавалось строить сооружения, поражающие своими размерами и сегодня: например, самая известная пирамида Хуфу (Хеопса), построенная около 2400 лет до н. э., в первозданном варианте имела массу около 7 млн тонн, 146,7 м высоты, 232,4 м длины стороны квадратного основания, а масса отдельных блоков превышала 2 тонны!

Менее известный, но более прагматичный результат трудов древнеегипетской цивилизации также поражает своей масштабностью. В V до н. э. египтяне прорыли Суэцкий канал, соединяющий Средиземное море с Красным! По словам Геродота, для прохода вдоль канала требовалось четыре дня пути, по ширине канала легко могли разойтись два больших корабля (триеры). Эта постройка стоила жизни 120 тыс. строителей (так что если кто-то считает, что он устает на учебе или на работе, пусть вспомнит про египетские пирамиды и каналы).

В более поздние времена античной Греции использовались уже не примитивные журавли, а сложные многоблочные механизмы, называемые полиспастами. Они и сегодня используются альпинистами и туристами, когда надо в полевых условиях создать значительное усилие (например, туго натянуть трос для переправы через реку).

Если бы не эти нехитрые «гаджеты» (от англ, gadget — приспособление, безделушка, ерунда), мы не увидели бы ни знаменитых египетских пирамид, ни Сфинкса, ни Великой Китайской стены.

Подкова и хомут

Из технических «безделушек» более позднего времени, кардинально повлиявших на развитие цивилизации, необходимо выделить подковы и хомуты. Подковы, по некоторым версиям, использовали кельты около 400 г. до н. э., а широкое распространение в Европе они получили сравнительно недавно, в VIII–X вв. н. э. При внешней простоте этих устройств, их нельзя назвать тривиальными: попробуйте прикрепить груз к лошади так, чтобы она могла его тянуть долгое время и не повредить себя. Запрячь лошадь может далеко не каждый – этому надо учиться. И сделать это значительно сложнее, чем завести автомобиль. Но усилия того стоят: коэффициент полезного действия тяглового усилия лошади увеличивается чуть ли не втрое.

Энергетический скачок позволил кардинально увеличить количество распахиваемых земель в Европе, а потребность в железе для подков обусловила развитие других ремесел.

Считается, что именно эти приспособления определили развитие Римской империи: повышение производительности труда в сельском хозяйстве привело к общему экономическому росту; так как тягловая сила – основной «двигатель» того времени – стала работать значительно эффективнее, появилась возможность транспортировать различные достаточно тяжелые военные машины (о них речь чуть ниже), что привело к росту возможностей римской армии; появление удобного транспорта в виде запряженных в повозки лошадей обусловило необходимость постройки многочисленных дорог, объединяющих огромные пространства Римской империи в единое государство.

Магистральные дороги римлян строились с такой основательностью, что ей могли бы позавидовать и современные строители: на будущей магистрали снимался весь грунт до скальной породы; затем укладывался нижний слой из каменных плит (statumen), скрепляемых известковым раствором; далее толщиной 20 см заливался раствор с булыжником, щебнем и битым кирпичом (ruderato); третий слой (nucleus) состоял из смеси гравия и песка толщиной в 30–50 см; и, наконец, сверху укладывались широкие гладкие каменные плиты (summa crusta). Общая высота слоев достигала 1,5 м, а ширина дороги – от 10 до 30 м. Неудивительно, что эти магистрали сохранились до сих пор. На них можно видеть колеи, пробитые в камне деревянными колесами повозок, тысячелетиями катавшихся по ним.

Длина таких магистралей к концу I в. до н. э. составляла 90 тыс. км. Основных магистралей было пять: первая, построенная в 312 г. до н. э., вела в Капую, далее до порта Брундизии, с переправой в Македонию и далее в Азию; вторая (с двумя морскими переправами) в Африку; третья по берегу Адриатического моря соединяла с Балканскими странами; четвертая доходила до Испании и там разветвлялась; пятая пересекала нынешнюю Францию и после переправы расходилась на множество щебеночных и грунтовых дорог на Британских островах.

Вместе с грунтовыми и щебеночными дорогами протяженность дорог получалась грандиозной – 300 тыс. км. Неудивительно, что Римская империя сохраняла свою управляемость на протяжении многих сотен лет. Своими экономическими и военными успехами империя во многом была обязана этим дорогам, которые не могли быть построены без удобных, надежных и экономичных транспортных средств, какими были подкованные лошади, запряженные в повозку посредством хомута.

Так что известное стихотворение С.Я. Маршака, демонстрирующее причинно-следственные связи между отсутствием в кузнице гвоздя и поражением армии, не так далеко от истины: многие столетия римская армия вступала в города во многом благодаря подкове и гвоздю!

Водяные мельницы

Логично предположить, что следующий принципиальный скачок в энергообеспечении был сделан именно в Римской империи как самой передовой державе того времени, и связан он с появлением водяных мельниц. По сути, водяная мельница – это энергостанция, в которой в качестве источника энергии используется уже не мускульная сила людей и животных, а вода. Описание таких мельниц сделано Витрувием во II в. до н. э., но в Риме существовали общественные водяные мельницы уже в IV до н. э.

Изначально мельницы использовали для помола и просеивания зерна, позже в средневековой Европе их приспособили для сукновального дела, для изготовления бумаги, для ковки железа, резки бревен, дубления кожи, заточки инструментов и пр. Еще каких-нибудь 200 лет назад на всех уральских металлургических заводах заводчика Демидова использовались водобойные молоты, приводимые в движение колесами водяных мельниц.

Ветряные мельницы

Ветряная мельница – аэродинамический механизм, который выполняет механическую работу за счет энергии ветра, улавливаемой крыльями мельницы.

В кодексе вавилонского царя Хаммурапи, жившего примерно в 1750 г. до н. э., уже упоминаются ветряные мельницы. Греческий изобретатель Герои Александрийский в I в. н. э. приспособил мельницу для надувания мехов органа.

Первые ветряные мельницы имели не совсем привычный для нас вид: они вращались вокруг вертикальной оси, вместо крыльев часто использовались лопатки или паруса, а персидская мельница, например, была еще и с оболочкой, закрывающей часть лопаток. Ветер дул в отверстие и вращал барабан мельницы, похожий внешним видом на гребное колесо первых пароходов. Понятно, что если ветер менял свое направление, для продолжения работы колеса нужно было «перемещать» отверстие, ловить ветер. В китайской мельнице вместо лопаток использовались поворотные паруса. Такая мельница, наверное, больше походила на плавающие по кругу парусники.

Те мельницы, с которыми боролся Дон Кихот, имели горизонтальную ориентацию ротора. Они появились в XII в. во Фландрии, Юго-Восточной Англии и Нормандии. Важное усовершенствование таких мельниц было сделано в XIII в.: все здание мельницы стало поворачиваться навстречу ветру. Это значительно повышало время ее использования, так как не нужно было ждать ветра требуемого направления.

Водяные и ветряные мельницы долгое время являлись единственными источниками энергии, поэтому они были локальными центрами, вокруг которых концентрировалась промышленность и сельское хозяйство. Хозяин мельницы был самым уважаемым человеком в округе. Богатство и зажиточность жителей той или иной местности определялись по плотности расположения мельниц. Как сейчас мы определяем приближение к большому городу по дымящим трубам заводов, так раньше определяли приближение к крупному населенному пункту по машущим крыльям ветряных мельниц.

Идея получения энергии от поворачивающейся мельницы оказалась настолько удачной, что используется и развивается до сих пор. Хотя современный «ветряк» выглядит совсем по другому, он не мелет больше зерно, а вырабатывает электроэнергию, но принцип его действия остался неизменным. А старые добрые мельницы в северной Европе можно видеть и сегодня. Некоторые из них, несмотря на преклонный возраст, давно переваливший за сто, а то и двести лет, всё еще могут работать! Но их время осталось в прошлом, победил их не Дон Кихот, а появившийся позднее паровой двигатель.

Военные машины древности

Если источников энергии в древности было не так уж и много – лошадь да мельница, – то история оружия насчитывает куда как больше разных технических устройств. Как красиво и устрашающе звучат названия военных машин: баллисты, требушеты, онагры, гастрафеты, скорпионы, перьеры, тенсионные спрингалды, эйнармы, полиболы!

Несмотря на такое разнообразие, действие всех этих технических устройств сводятся всего к двум принципам: использование потенциальной энергии деформированного упругого элемента (как в луке) и удлинение плеча броскового рычага при вращательном движении для увеличения линейной скорости снаряда (как в праще). То есть праща и лук являются теми техническими инновациями, которые в различных сочетаниях и исполнениях нашли дальнейшее развитие во всех вышеупомянутых механизмах.

Первой появилась праща. Она представляет собой круглый лоскут кожи с двумя длинными ручками. В этот лоскут вкладывают камень, потом берут за ручки и сильно раскручивают камень над головой, затем отпускают одну веревочку и освобожденный камень по касательной к описываемой окружности движения устремляется в цель. Использование пращи позволяет придавать камню значительно большую скорость, чем при простом броске рукой, но при этом сильно страдала прицельность. Даже при долгих тренировках точность попаданий оставляла желать много лучшего, а шанса раскрутить второй камень враг часто не предоставлял.

Более точным оказался лук. Первые упоминания о массовом использовании лука относятся к 1500 г. до н. э., хотя, конечно, он был изобретен еще раньше. Все основные усовершенствования классического лука связаны с изменением его конструкционных материалов. Сначала делали цельнодеревянные луки, затем композиционные, состоящие из нескольких склеенных разных пород деревьев и даже костей. Дальность полета определялась коэффициентом жесткости лука и величиной его деформации. Чем труднее натягивать тетиву, тем большей кинетической энергией обладает вылетающий снаряд (стрела или болт). Понятно, что убойная сила лука ограничена физическими возможностями заряжающего его лучника.

Поэтому все дальнейшие усовершенствования связаны с увеличением силы натяжения лука, которое достигалось использованием различных вспомогательных механизмов. Первым промежуточным звеном между луком и арбалетом был гастрафет («брюшной лук»). Для взведения тетивы его одним концом упирали в землю, а на другой конец наваливались животом, отчего и происходит и название «гастрафет».

Увеличение размеров лука и появление механизмов натяжения тетивы привело к появлению первых полноценных метательных машин, которые уже можно было использовать при осаде крепостей. Замена тетивы лентой, а стрелы – камнем привела к появлению баллист. Баллисты стали прототипом современной полевой артиллерии, их возили на лошадях, мулах или быках.

Одно из самых древних и достоверных описаний применения больших метательных машин можно найти в сообщении Плутарха об осаде Сиракуз римлянами (214–212 гг. до н. э.). Масштабы вооруженности древних армий этими устройствами поражают. Например, при взятии Карфагена (146 г. до н. э.) у защитников было отбито 120 больших катапульт и 200 малых, а также 33 большие баллисты и 52 малые.

По свидетельству древнеримского историка Вегетия, каждая центурия (воинское подразделение до 100 воинов) имела одну карробал-листу, а на каждую когорту (12 центурий) добавляется еще и катапульта. Таким образом, один легион (60 центурий) имел на вооружении около 60 карробаллист и 5 катапульт. В трактате Вегеция «Военное дело у римлян» описано подробное боевое расписание легиона, должностей и окладов, состава подразделений и даже штатная численность «баллистического» парка легиона. Естественно, что римляне могли поражать противников, менее продвинутых в техническом отношении, на безопасном для себя расстоянии. Битва часто заканчивалась еще до непосредственного рукопашного контакта межу противниками.

Если учесть, что римские воины постоянно воевали или тренировались в искусстве боя и во взаимодействии между подразделениями, то шансы нападавших на них «любителей-ополченцев» – стремились к нулю.

Вершиной развития военной мысли античного мира является онагр. Его действие основано на использовании принципа лука и прагци, скручивающийся жгут заменяет тетиву, а груз на веревке движется подобно праще.

Но с падением Римской империи произошел и упадок в вооружении. В ранние Средние века широко использовался требуше (или требушет), довольно примитивный агрегат, по изяществу намного проигрывающий машинам римлян. Но его преимущество было в простоте устройства и эксплуатации. Принцип действия очень прост. Основу составляет неравно-плечный рычаг, к его короткому плечу привязывают тяжелый груз, а к длинному – веревку на конце которой находится метательный снаряд в мешочке. Тяжелый груз поднимают вверх, рычаг закрепляют – требушет заряжен. Затем рычаг освобождают, груз под действием силы тяжести начинает опускаться вниз, снаряд на другом конце поднимается, разгоняется и вылетает.

Древнегреческий ученый Архимед, большинству из нас известный по открытому им закону и по истории купания в ванной, был еще и величайшим военным инженером. Изобретенные им механические устройства позволяли крошечной армии города Сиракузы долгое время выдерживать осаду римской армии – самой большой и оснащенной армии того времени. По легендам, Архимед применял систему зеркал для сожжения римских кораблей на подступах к городу и даже изобрел пушку, в которой водяной пар выстреливал каменные ядра. Если это так, то Архимед опередил свое время даже не на века, а на целое тысячелетие!

Как примерно выглядело взятие Сиракуз, мы можем увидеть в фильме… «Властелин Колец»! В нем действие разворачивается в несуществующем мире-фэнтези, но при показе штурма крепостей очень красочно изображены вполне реальные военные приспособления древности. В этом фильме можно наблюдать действия требушетов, баллист, таранов, арбалетов и онагров.

Дальнейшее развитие получил миниатюрный вариант баллисты, который стали называть арбалетом. Специальный механизм натяжения тетивы позволял стрелять с очень большой скоростью короткими стрелами – болтами. Пробивная способность этого оружия сводила к нулю преимущества рыцарской защиты. Городские ополчения стали мощной силой, способной противостоять профессиональным отрядам рыцарей. Типичная ситуация, когда дилетант, вооруженный новым техническим средством, оказывается значительно сильнее профессионала с устаревшим вооружением.

Время карманных арбалетов и гигантских деревянных монстров закончилось с появлением огнестрельного оружия. Но и сегодня, глядя на все эти баллисты, мы восхищаемся древними конструкторами, сумевшими довести до совершенства практическое воплощение идеи действия лука и пращи.

1. Архимед – величайший военный инженер древности.

2. Техническое оснащение римской армии.

3. Боевые машины древности в современных фантастических фильмах (на примере фильма «Властелин Колец»).

4. Законы физики в метательных машинах.

5. Техническое обеспечение древнеримского Колизея.

6. Устройство древней китайской мельницы.

7. Современные простые механизмы в арсенале альпиниста.

1. Виргинский В. С., Хотеенков В.Ф. Очерки истории науки и техники с древнейших времен до середины XV века: кн. для учителя. – М.: Просвещение, 1993.

2. Военно-исторический портал античности и средних веков – www.xlegio.ru.

3. Официальный сайт журнала «Наука и жизнь». – www.nkj.ru

2.2. Тепловые двигатели

Век машин: заменить цель скоростью.

Карел Чапек

«Ничто не может сравниться с коляской, запряженной лошадью», – настаивал Чонси Депью, президент Центральной железнодорожной компании Нью-Йорка, отговаривая своего племянника от вложения денег в новую компанию Генри Форда. И было это чуть больше 100 лет назад…

Облик нашего современного мира уже немыслим без вездесущих автомобилей, так же невозможно представить, каким бы был наш мир без самолетов, теплоходов, железнодорожного транспорта, чем бы мы занимались вечерами, если бы не было электричества.

Все это оказалось бы невозможным, если бы не был изобретен двигатель внутреннего сгорания (ДВС).

Трудно сказать, с чего начинается история его воцарения. Как и всякое техническое изобретение, своим появлением ДВС обязан множеству различных предпосылок: разным изобретениям, созданию новых конструкционных материалов и видов топлива.

Справедливым будет начать историю с 1705 г., когда английский изобретатель Томас Ньюкомен построил пароатмосферную машину для откачки воды из шахт. Это, конечно, был не двигатель внутреннего сгорания в классическом понимании, но в нем присутствовали главные элементы будущего ДВС – поршни. Нагретый пар под давлением поступал в цилиндр и совершал работу, толкая поршень. Также там использовался кривошипношатунный механизм и маховик. Все эти детали присутствуют и в современных двигателях.

Двигатель Ньюкомена имел чрезвычайно низкий КПД и важен был только потому, что наглядно демонстрировал принцип, который можно использовать для превращения внутренней энергии топлива в кинетическую энергию для совершения работы. Ползунову и Уатту удалось повысить КПД паровой машины.

Ползунов использовал два цилиндра, соединенных кривошипно-шатунным механизмом. Пар в цилиндры подавался попеременно, он толкал каждый из цилиндров вниз. В первом двигателе Ньюкомена пар подавался в один цилиндр попеременно по разные стороны поршня. В ходе технической эволюции победил вариант, впервые использованный Ползуновым.

В 1785 г. один из первых двигателей Уатта был установлен на пивоваренном заводе в Лондоне. Машина имела мощность в 24 лошадиных силы, диаметр цилиндра 63 см, ход поршня 1,83 м (!) и маховик диаметром 4,27 м. Но по тем временам это был компактный двигатель. При таких размерах отдельные детали также были немаленькими. Неудивительно, что этот двигатель сохранился в рабочем состоянии до сих пор. Его можно увидеть и даже привести в действие в музее «Пауэрхаус» в Австралии.

Иван Иванович Ползунов умер в 38 лет и не дожил до пуска своего изобретения, который состоялся в июне 1766 г. на Барнаульском медеплавильном заводе. Машина проработала всего 43 дня, но дала прибыль в 12418 рублей, (огромные деньги по тем временам). Затем она была разрушена, а идея – забыта.

Следующий важный шаг был сделан в 1801 г.: Филипп Лебон взял патент на конструкцию газового двигателя. Действия этой машины основывалось на том же принципе, что и у паровых машин. Но разница заключалась в том, что в качестве рабочего тела использовался не водяной пар, а смесь светильного газа с воздухом. В двигателе Лебона были предусмотрены два компрессора и камера смешения. Один компрессор накачивал в камеру сжатый воздух, а другой – сжатый светильный газ. Газовоздушная смесь поступала потом в рабочий цилиндр, где воспламенялась. Двигатель был двойного действия, т. е. попеременно действовавшие рабочие камеры находились по обе стороны поршня. В этом устройстве уже можно увидеть прообраз современного двигателя. В 1804 г. Лебон погиб, так и не успев довести свою идею до практического применения. Паровая машина пока оставалась вне конкуренции.

Бельгийский инженер Жан Этьен Ленуар создал первый коммерчески успешный ДВС. Основная идея заключалась в том, чтобы воспламенять смесь непосредственно в цилиндре с помощью электрической искры. Для успешной работы своего двигателя Ленуар создал систему водяного охлаждения и смазку. Так родились системы и механизмы, узнаваемые и в современном двигателе.

В 1877 г. немецкий изобретатель Август Отто усовершенствовал двигатель Ленуара, доработал кривошипно-шатунный механизм и создал первый четырехтактный двигатель, резко увеличив тем самым его КПД. Топливом для двигателей по-прежнему служил светильный газ.

Еще в 1872 г. американец Брайтон в качестве топлива пытался использовать смесь керосина с воздухом, затем смесь бензина с воздухом. Для получения смеси им был создан один из первых «испарительных» карбюраторов, но он оказался неудачным.

Немецкий инженер Готлиб Даймлер вместе со своим другом Вильгельмом Майбахом в 1883 г. создали двигатель без газогенератора, очень легкий, компактный и мощный. Увеличение мощности было достигнуто за счет увеличения частоты вращения вала с зажиганием смеси от раскаленной полой трубки.

Завершением формирования современного облика ДВС мы обязаны венгерскому инженеру Донату Банки, запатентовавшему в 1893 г. карбюратор, принцип действия которого используется и поныне. Бензин в нем не испаряется, а мелко распыляется. Для этого воздух продувается вдоль поверхности бензина, поддерживаемой на постоянном уровне.

В том же 1893 г. 23 февраля Рудольф Дизель получил патент на свой «экономичный термический двигатель». Экономичность в этом двигателе достигалась за счет большей степени сжатия топлива. При таком сжатии происходит адиабатное нагревание и самовоспламенение горючей смеси, впрыскиваемой через специальную форсунку. Первый работающий образец был построен Дизелем в 1897 г.

Карбюраторные и дизельные двигатели получились наиболее удачными из всех. Развитие и конкуренция этих двигателей продолжается до сих пор с переменным успехом.

Одноцилиндровые двигатели сменились многоцилиндровыми, надежность, мощность, отношение мощности к массе бензиновых двигателей стали недосягаемыми для паровых машин. Появилась возможность поставить двигатель на аэроплан. Началась эпоха моторов…

Конкурентом двигателей внутреннего сгорания являются двигатели внешнего сгорания. Наиболее известен двигатель, изобретенный Робертом Стирлингом, запатентованный им в 1816 г. Двигатель внешнего сгорания является старшим братом более удачливого двигателя внутреннего сгорания. В 1845 г. на литейном заводе в Дании была пущена машина Стирлинга мощностью 50 лошадиных сил, проработавшая в течение трех лет. Но «младший брат» оказался на редкость проворным, и изобретенная Стирлингом машина была совершенно забыта.

Принцип действия этой машины заключается в том, что циклические процессы сжатия и расширения происходят при различных уровнях температур: сжатие при низкой температуре, а расширение – при высокой. Это приводит к разности давлений и, в конечном итоге, дает выигрыш в работе за один цикл. Нагрев в двигателе Стирлинга происходит не внутри цилиндра путем воспламенения смеси, а снаружи. Тепло к газу подводится извне, через стенку цилиндра. Поэтому это устройство и называется «двигатель внешнего сгорания». Принципиальное устройство его показано на рис. 4.

1 – вытеснительный поршень (далее – вытеснитель);

2 – поршень;

3 – регенератор;

верхняя нагревательная область цилиндра находится при постоянной высокой температуре;

нижняя охладительная область цилиндра находится при постоянной низкой температуре.

Рис. 4

Двигатель работает следующим образом.

I. В начальный момент вытеснитель находится в верхнем положении. Весь газ находится в области низкой температуры между поршнем и вытеснителем, поэтому он имеет низкое давление.

II. Вытеснитель остается в верхнем положении. Поршень сжимает газ при низкой температуре и при этом совершает работу.

III. Поршень остается в крайнем верхнем положении. Вытеснитель переталкивает газ из холодной полости в горячую. При этом газ, проходя через регенератор, получает от него запасенное в предыдущем цикле тепло и нагревается.

VI. Нагретый газ расширился. При этом он толкает вытеснитель с поршнем и совершает полезную работу. Это и есть рабочий такт двигателя. Так как давление в верхней части газа больше его давления в нижней части, то полезная работа перекрывает энергетические затраты на сжатие холодного газа в начальном такте.

I. Вытеснитель поднимается вверх и перемещает рабочий газ в нижнюю холодную часть цилиндра. При этом газ, проходя через регенератор, отдает ему тепло, которое будет возвращено в следующем цикле.

Затем цикл повторяется.

Движения поршня и вытеснителя в двигателе практически непрерывны, что обеспечивается посредством кривошипношатунного механизма. Таким образом, двигатель Стирлинга представляет собой поршневую машину с внешним подводом тепла, в которой рабочее тело постоянно находится в замкнутом пространстве и во время работы не заменяется.

Двигатель Стирлинга имеет неоспоримые преимущества, важность которых с ростом количества автомобилей все более повышается.

Во-первых, для подвода тепловой энергии можно использовать любой источник тепла: солнечную энергию, биотопливо, ядерную энергию, электроэнергию и проч. Поэтому для двигателя Стирлинга можно использовать и низкокачественное топливо, например, попутный газ, сжигаемый впустую в атмосфере при транспортировке нефти.

Во-вторых, в качестве рабочего тела в двигателе Стирлинга обычно функционирует воздух, гелий или водород, который используется в замкнутом цикле и не попадает в атмосферу. Поэтому выбросов отработанного газа двигатель не дает. При использовании в нагревателе экологически чистой энергии (например, солнечной) двигатель становится идеально экологичным.

В-третьих, термодинамический цикл двигателя Стирлинга обладает термическим КПД, равным максимально возможному теоретическому и составляет 30–40 %.

В-четвертых, отсутствие клапанов в основном корпусе двигателя Стирлинга и работа без периодических взрывов в цилиндрах существенно снижают, а по сравнению с двигателем внутреннего сгорания он является практически бесшумным.

В-пятых, опять же в сравнении с двигателем внутреннего сгорания, незначительны траты смазочных материалов и низка стоимость его текущей эксплуатации.

Эти достоинства позволяют прогнозировать дальнейший успех двигателя внешнего сгорания в самых разных сферах: его можно использовать для регенерации (утилизации) тепла, при получении электроэнергии. Интересны перспективы применения этого двигателя для создания искусственного сердца.

1. Устройство и принцип действия пароатмосферной машины Ивана Ползунова.

2. Устройство и принцип действия паровоза.

3. Влияние паровых двигателей на экономическое развитие стран Европы.

4. Первые автомобили.

5. История отечественного автомобилестроения.

6. Железное «сердце» танка (устройство двигателей танков со времен Второй мировой войны и до наших дней).

7. История становления автомобильной империи Фордов.

8. Перспективы использования водородных двигателей.

9. Двигатель Стирлинга – двигатель будущего.

10. Рекорды скорости.

11. «Формула-1» – полигон технических инноваций.

12. Устройство современной автомобильной магистрали.

13. Перспективы использования электромобилей.

14. Автомобиль – компьютер с колесами.

15. Обеспечение безопасности в современном автомобиле.

16. Мировые автогиганты.

17. Влияние автомобильной промышленности на национальную и мировую экономику.

1. Есть ли будущее у двигателей внутреннего сгорания?

1. Ваганов А. От хомута до автомобиля. Инновации как самый древний способ управления обществом // Независимая газета. – 2006. -№ Ц-14.

2. Официальный сайт журнала «Наука и жизнь». – www.nkj.ru

2.3. Электричество

Выключили электричество, и в городе воцарилась полная тишина. Оказывается, звуки исходят не от людей.

Михаил Жванецкий

Началом истории развития электричества можно считать 1600 г., когда Уильям Гильберт, исследуя магнитные явления, описывает и другой вид взаимодействия тел. Именно он и назвал притягивающиеся в результате электризации тела «электрическими». В те суровые времена практическое применение научных изысканий связывалось разве что с поиском философского камня, сочинением туманных астрологических прогнозов и построением метательных машин. Поэтому изыскания Гильберта можно смело отнести к достижениям «фундаментальной» науки, мало кому понятным из современников, с весьма сомнительной перспективой практического использования.

В 1663 г. немецкий физик Отто фон Герике, известный школьникам по описаниям театрализованных опытов по разделению магдебургских полушарий дюжиной лошадей, создал первый генератор, позволяющий вырабатывать электричество. Стеклянный шар, покрытый серой, раскручивали и прикасались к нему рукой. При трении между пальцами и шаром накапливалось статическое электричество, проскакивала искра.

Чтобы научиться запасать это электричество, понадобилось еще каких-то 80 лет. В 1745 г. в городе Лейдене Питер ван Мушенбрук изобрел первый электрический конденсатор, вошедший в историю как Лейденская банка. Устройство ее довольно просто: банка оклеивается проводящими листами олова (а сейчас фольги) снаружи и внутри, которые и стали прообразами обкладок будущих конденсаторов. Всем известная школьная электрофорная машина представляет, в некотором роде, совмещение двух вышеназванных изобретений: с помощью трения дисков создается статическое электричество, а накапливается оно в двух Лейденских банках.

Лейденские банки получили большую популярность при дворах европейских монархов. Использовали их для развлечения: ничего не подозревающему новичку предлагали взять банку на ладонь, а другой рукой ухватиться за стержень. Когда неведомая сила выбивала у испытуемого искры из глаз, всем остальным становилось весело. Естественно, что эти искры никоим образом не могли составить конкуренцию свету тысяч свечей в роскошных королевских люстрах.

Но были и серьезные последствия: стали искусственно получать электрическую искру, выяснили высокую электропроводность металлов. Удивительное действие электрического тока на человека привлекло внимание не только придворных бездельников, но и врачей. В конце XVIII в. стали активно использовать электричество для лечения от самых разных болезней. Сегодня попытки лечения эпилепсии или оспы с помощью электрических разрядов представляются наивными и смешными, но они все же не стоят в одном ряду с гороскопами, заклинаниями и заговорами. Современные электрокардиостимуляторы спасли и поддерживают жизни тысяч людей, имеющих проблемы с сердцем.

Первым достаточно значимым с практической точки зрения изобретением в области электричества можно назвать создание Алессандро Вольта химического источника тока в 1800 г. До этого электричество можно было получить только через электростатическую машину. Вольтов столб имеет достаточно простое устройство: два металлических электрода – медный и цинковый, между которыми помещают пропитанную раствором соли или кислоты прокладку. Окислительно-восстановительная реакция создает разность потенциалов между электродами.

За прошедшие 200 лет принципиальное устройство химических элементов ничуть не изменилось, различие заключается только в изменении материалов и в конструкционных особенностях. Но при этом, естественно, качество работы современных химических источников несравнимо выше, чем у самых первых «батареек». Современный аккумулятор является незаменимым элементом любого механизма, имеющего двигатель внутреннего сгорания. Вот самый яркий пример технического симбиоза.

Появление ноутбуков, DVD-проигрывателей, цифровых фотоаппаратов и, конечно, сотовых телефонов привело к ужесточению требований к химическим элементам питания, что стимулировало исследования в этой области. Но пока практически все используемые источники – те же элементы Вольта. Из других можно назвать попытку создания элемента питания на основе радиоактивных элементов. Основное его достоинство в том, что он может непрерывно работать до десятка и более лет, а это совершенно недостижимо для химических источников. Но высокая стоимость таких источников и проблемы безопасности эксплуатации и утилизации не позволяют им составить конкуренцию традиционным «батарейкам».

Если изобретение Вольта изначально создавалось с практическими целями, то в открытии Майклом Фарадеем явления электромагнитной индукции в 1831 г. (возникновения электродвижущей силы при изменении магнитного потока) никто практической выгоды не увидел, в том числе и сам изобретатель.

Сегодня мы можем сказать, что мало какое открытие может сравниться по практической значимости с этим. Современный мир, в котором были бы только химические источники электричества, невозможно представить. Явление электромагнитной индукции используется в счетчиках электроэнергии, в трансформаторах. Магнитная запись звука, микрофон, динамик – все это следствия открытия Майкла Фарадея. Но, пожалуй, самое значимое техническое изобретение, созданное на основе открытия Фарадея – индукционный генератор. Он представляет главный элемент всех электростанций, на конечном этапе превращающий механическую энергию в электрическую. Эти генераторы дают нам практически всю потребляемую электроэнергию.

Приоритет в постройке первой электростанции установить сложно. Одна из первых станций в несколько сотен ватт была построена в Германии в 1876 и в 1881 гг. Для вращения генератора использовали энергию реки Неккер. В этом же 1881 г. в английском городе Грейсаде тоже была пущена гидроэлектростанция. Американец Роджерс для нужд своей бумажной фабрики запустил гидроэлектростанцию в 1882 г.

В 1881 г. Эдисон строит тепловую электростанцию, а 1883 г. тепловая электростанция конструкции Эдисона вводится и в Петербурге.

В 1888 г. легендарный Никола Тесла изобретает индукционный двигатель переменного тока.

Разгорается «война» между переменным и постоянным током.

За переменный ток – компания «Вестингауз электрик», за постоянный – неутомимый Томас Эдисон. Дошло до того, что Эдисон с целью дискредитации переменного тока предложил для казни использовать электрический ток, причем только переменный, как наиболее опасный для жизни, а саму казнь назвать «вестингаузацией». Самое печальное то, что эта идея была воплощена в жизнь, и в 1890 г. состоялась первая казнь на электрическом стуле. Но технические преимущества получения и передачи переменного тока оказались важнее, чем его дурная слава. В 1891 г. немецким инженером Оскаром фон Мюллером была построена и запущена первая высоковольтная линия электропередач. Длина линии составляла 157 км, по ней передавали трехфазный ток напряжением 16 кВ. Линия соединяла одну из первых электростанций на реке Неккер с павильоном электротехнической выставки во Франкфурте-на-Майне, где работал первый в мире трехфазный двигатель Михаила Осиповича Доливо-Добровольского. Наличие переменного тока стало неотъемлемым условием любого современного здания для жилья, работы или развлечений.

Сама по себе электрическая энергия, в общем-то, не нужна. Нужны другие виды энергии, в которые она может преобразовываться. Прежде всего, человеку нужна механическая энергия, которую он раньше получал от животных и собственных мускулов, а позже от энергии рек и ветров. Поэтому изобретение электродвигателя – важный и необходимый этап использования электричества.

Прародитель электродвигателя появился еще до открытия явления электромагнитной индукции. В 1823 г. П. Барлоу описал устройство, известное как «колесо Барлоу»: подвешенный проводник одним концом опускался во ртуть, из которой выступал магнит. При пропускании тока через ртуть проводник начинал крутиться. А еще до этого Эрстед заставлял вращаться накоротко замкнутую батарейку, для чего он подвешивал ее на проволоке и подносил к ней постоянный магнит.

Но устройство, не только демонстрирующее движение проводника с током в магнитном поле, но используемое с практической целью совершения механической работы, было создано русским ученым Борисом Семеновичем Якоби в 1834 г. Он первым построил двигатель не с поступательно-возвратным движением, как было до него, а с вращательным. Его двигатель поднимал груз около 5 кг на высоту 30 см за одну секунду. Нетрудно подсчитать (Р = mgh/t), что мощность при этом будет около 15 Вт. В 1838 г. в Петербурге изобретатель показывает лодку, приводимую в движение электродвигателем.

Эра электродвигателей неумолимо приближалась, хотя на тот момент стоимость работы электродвигателя была на порядок выше (примерно в 20 раз), чем у его заслуженного парового конкурента. Если бы электродвигатели использовали непосредственно там, где производят электроэнергию, то может быть, стиральные машины и пылесосы сегодня работали бы на гальванических элементах или (о ужас!) на двигателях внутреннего сгорания. Основное достоинство электрической энергии – удобство ее транспортировки: электродвигатель качает воду где-то в Подмосковье, а использует энергию, производимую Белоярской АЭС на Урале или Шушенской ГЭС в Сибири. Но для этого было необходимо изобретение скромного и незаметного устройства-труженика – трансформатора, без которого немыслимы все современные электрокоммуникации.

Трансформатор представляет для инженеров-электриков инструмент, аналогичный рычагу в механике, но вместо преобразований силы и перемещения трансформатор преобразует напряжение и ток. Вместо отношения плеч силы количественной характеристикой трансформатора является отношение между числом витков в его обмотках.

Трансформатор (от лат. transformo – преобразовывать) – статическое электромагнитное устройство, имеющее две или более индуктивно связанные обмотки и предназначенное для преобразования посредством электромагнитной индукции одной или нескольких систем переменного тока в одну или несколько других систем переменного тока.

Трансформатор можно считать одним из самых совершенных технических изобретений: простота устройства, отсутствие движущихся и трущихся частей, очень высокий, близкий к стопроцентному КПД делают трансформатор образцом воплощения технической мысли. Двигателю внутреннего сгорания с его заслонками, пружинками, жиклерами и прочими многочисленными и регулярно ломающимися детальками до этого идеала не добраться никогда… Но простота трансформатора только кажущаяся, современный трансформатор – результат долгой технической эволюции, трудов множества талантливых физиков и инженеров.

Своим появлением трансформатор обязан двум важнейшим последовательно сделанным и взаимосвязанным открытиям: сначала в 1820 г. Ханс Кристиан Эрстед обнаружил магнитное поле вокруг проводника с током, а затем Майкл Фарадей открыл явление электромагнитной индукции.

Он не стал разрабатывать практическое применение своего открытия, думая, что это быстро сделают другие. А жаль, потому что к идее трансформатора, использующего явление электромагнитной индукции, так сказать «во все свои катушки», вернулись только тогда, когда столкнулись с проблемами освещения. И произошло это намного позже, почти через полвека.

Появление первого трансформатора «во плоти» можно отнести к 1848 г., когда французский механик Г. Румкорф изобрел индукционную катушку, вошедшую в историю как «катушка Румкорфа» – устройство для получения импульсов высокого напряжения. Она состоит из железного стержня, на который намотана первичная обмотка из толстой проволоки, а затем поверх ее наматывается несколько тысяч витков вторичной обмотки из очень тонкой проволоки. Первичная обмотка подсоединена к батарее химических элементов и конденсатору. Такое нехитрое устройство позволило ученым получать электрические искры длиной до 50 см!

Эти искры стали предметом изучения ученых-физиков всего мира. А Генрих Герц занялся изучением не самих искр, а окружающего их пространства и открыл и описал свойства электромагнитных волн. На основе работ Герца и было изобретено радио. Так что первый вариант скромного трансформатора произвел немалые последствия, изменившие в дальнейшем само человечество.

Датой рождения трансформатора можно считать 30 ноября 1876 г., когда Павел Николаевич Яблочков получил патент на трансформатор с разомкнутым сердечником.

Процесс совершенствования трансформатора значительно ускорился после того, как Эдисон изобрел лампы накаливания с угольной нитью, высокое сопротивление которых позволило осуществлять параллельное соединение проводников. В 1882 г. он запустил в Нью-Йорке первую промышленную систему электрического освещения. Стали требоваться надежные и экономичные устройства, повышающие и понижающие напряжение.

Создание трансформаторов с замкнутыми сердечниками братьями Джоном и Эдуардом Гопкинсонами в 1884 г. позволило значительно повысить их КПД. В дальнейшем выяснилось, что и в сердечниках присутствует значительное рассеяние энергии, связанное с вихревыми поперечными токами. Для предотвращения подобных явлений сердечники стали делать непроводящими в направлении, перпендикулярном магнитным силовым линиям трансформатора. Для этого сердечники составляли из ряда плоских изолированных железных пластин.

Уже в мае 1885 г. В. Дери, Блажи и Циперновски на национальной выставке в Будапеште представили осветительную систему, состоявшую из 75 параллельно соединенных трансформаторов, подводивших питание к 1067 лампам накаливания Эдисона от генератора переменного тока с напряжением 1350 В. Трансформаторы имели тороидальные железные сердечники. Это была осветительная система, заложившая основу построения всех современных осветительных сетей.

Вестингауз, Уильям Стенли, Шелленберг и Альберт Шмид (США) в конце 1885 г. приступили к усовершенствованию трансформатора. Главная цель заключалась в удешевлении его промышленной сборки, так как сборка венгерского тороидального трансформатора была делом непростым и затратным. В итоге Стэнли предложил изготавливать железные пластины в форме буквы Ш, чтобы центральный стержень можно было легко вставлять в заранее намотанную катушку. Ш-образные пластины укладывались в чередующихся противоположных направлениях, а на концы пластин укладывались прямые железные полоски для замыкания магнитной цепи. Такая конструкция трансформатора оказалась удачной и применяется до сих пор.

Но на этом история совершенствования трансформаторов не заканчивается. Дело в том, что сердечники первых трансформаторов состояли из тонких пластин листовой стали и характеризовались значительными потерями на перемагничивание, что уменьшало коэффициент полезного действия трансформатора. Только в начале 1900-х годов удалось добиться значительного успеха в уменьшении потерь такого рода. Английский исследователь-металлург Роберт Хедфилд разработал специальную трансформаторную сталь с добавками кремния, использование которой уменьшало потери на перемагничивание.

Затем в начале 30-х годов XX в. американский металлург Норман П. Гросс установил, что при комбинированном воздействии проката и нагревания у кремнистой стали появляются требуемые магнитные свойства в направлении прокатки: магнитное насыщение увеличивалось на 50 %, потери на гистерезис сокращались в 4 раза, а магнитная проницаемость возрастала в 5 раз.

Современные трансформаторы превосходят своих «предков», созданных к началу XX столетия, по мощности в 500, а по напряжению в 15 раз; их масса в расчете на единицу мощности снизилась приблизительно в 10 раз, а коэффициент полезного действия близок к 99 %. Но процесс совершенствования трансформаторов не закончился, появление новых материалов, открытие явления сверхпроводимости, использование полупроводников, пластика и т. п. – все это немедленно сказывается на трансформаторе – главном трудяге современных электрических сетей.

Как видно из таблицы в начале параграфа, вклад российских ученых в мировую электрификацию оказался весьма впечатляющим. На исходе XIX в. они были признанными лидерами в области электротехники. Использование этого научного потенциала и мобилизация всей страны после Октябрьской революции и Гражданской войны позволили большевикам в невиданные до этого сроки осуществить электрификацию страны. Производство электроэнергии в СССР в 1930 г. по сравнению с 1913 г. возросло более чем в 14 раз! Правда, достигнуто это было непосильным трудом миллионов добровольцев и заключенных. Но это стало решающим фактором превращения Союза Советских Социалистических Республик в крупную промышленную державу.

1. История эволюции конденсаторов.

2. История развития «батарейки».

3. Вклад русских ученых в электроэнергетику.

4. Потребление электроэнергии на душу населения как один из главных факторов качества жизни.

5. План ГОЭЛРО – залог становления СССР.

6. Величайшие электростанции мира.

7. Саяно-Шушенская ГЭС – одна из крупнейших электростанций мира.

8. Общая структура электроснабжения вашего населенного пункта.

9. Современная высоковольтная линия электропередач – сложное техническое устройство.

1. Сотовая энергетика – энергетика будущего?

1. Надеждин Н.Я. История науки и техники. – Ростов н/Д: Феникс, 2006.

2. Официальный сайт журнала «Наука и жизнь». – www.nkj.ru

2.4. Освещение

Учитель:

– Дети, какие части света вы знаете?

– Части света? – переспрашивает ученик. – Выключатель, лампочка, провода.

NN

Одна из первых функций, которую стало выполнять электричество, связана с освещением. Древние города никак не освещались, в лучшем случае – факелами или лампами с маслом. В домашнем освещении много веков преобладала свеча, а в избах простого народа лучина. Первое постоянное ночное освещение стало возможно с изобретением керосиновых фонарей. Широко распространена была профессия фонарщика, в его обязанности входило обслуживание фонарей, их заправка, зажигание вечером и тушение утром. Следующий шаг связан с появлением системы газового освещения, представление о котором мы можем составить из фильмов, показывающих Лондон времен Шерлока Холмса.

Газовое освещение было неудобным, дорогим и небезопасным. Революция в деле ночного освещения произошла с изобретением Александром Николаевичем Лодыгиным в 1872 г. электрической лампочки накаливания. Источником свечения в ней являлся тонкий угольный стерженек, светящийся при пропускании через него электрического тока.

Изобретение Лодыгина попадает в руки Эдисону. Со свойственной ему энергией и при наличии финансов американский предприниматель очень быстро усовершенствует лампу и тут же начинает промышленное производство в Америке.

В 1876 г. Павел Николаевич Яблочков получает патент на изобретенную им электрическую свечу. В его лампочке светится газ электрической дуги. На Всемирной выставке в Париже в 1878 г. свеча демонстрируется с большим успехом.

Париж переходит с газового освещения на электрическое, а свет дуговых ламп стал называться во Франции «русским светом». Правда, потом усовершенствованные в Европе лампы стали появляться в России и вызывали у населения ассоциации с освещенной и просвещенной Европой, не в пример «темной» России. Кое-где его даже стали называть парижским светом. Так «русский» свет вернулся на Родину.

Сегодня не только Париж и Петербург сияют в ночное время искусственным светом электрических ламп. Каждый мегаполис «купается» по ночам в электрическом свете. При приближении к большому городу можно за 30–50 километров увидеть

отсвет электрического освещения на облаках. Большую часть своего времени мы проводим при электрическом освещении, особенно в зимнее время. Современный человек – это человек искусственного освещения. Первое и самое главное неудобство при отключении электроэнергии мы связываем с отсутствием света. В сознании современного человека электричество и свет настолько связаны друг с другом, что их часто используют как синонимы. Кто не слышал выражение «Сегодня отключили свет!».

При массовом потреблении электроэнергии на освещение выяснились существенные недостатки ламп накаливания и дуговых ламп – большая часть их энергии излучается в невидимом, тепловом диапазоне, а КПД не превышает и 10 %. Лампы накаливания правильнее называть не лампами, а печками, так как они больше греют, чем светят. Это хорошо знает тот, кто хотя бы раз стоял на сцене под светом мощных ламп – софитов. Когда около 35 % всей потребляемой электрической энергии стало приходиться на освещение, стало очевидно, что лампам накаливания пора искать альтернативу.

Замена лампам накаливания нашлась не скоро – только в 60-е годы XX в. появились электрические лампы другого принципа действия. Это люминесцентные лампы. Электрический разряд, протекающий через инертный газ, вызывает ультрафиолетовое свечение, преобразуемое поверхностью лампы в видимое. Именно потому такие лампы иногда называют световыми трансформаторами. Они значительно экономичнее и долговечнее ламп накаливания, но имеют свои недостатки – часть выходящего из нее ультрафиолетового излучения может принести вред зрению.

Следующая световая революция может по праву называться светодиодной. Она произошла относительно недавно, и все мы являемся ее свидетелями. Теперь никто не берет в поход тяжелый фонарик с лампами накаливания, непрерывно работающий не более двух часов, в ходу легкие компактные фонарики. Две небольшие «пальчиковые» батареи обеспечивают работу такого фонарика в течение года, а яркость света при этом несравнимо больше!

Светодиоды произвели качественный скачок в световом окружении человека: они могут светиться самыми разными цветами, давать рассеянный и узконаправленный свет. Отсутствие вакуумированных баллонов и нитей накала, сверхминиатюрность, низковольтность, простота управления свечением, долговечность, надежность, ударо-, взрыво– и пожаробезопасность, экологичность – все это преимущества светодиодов. Но самое главное, что современные светодиоды по достигнутой светоотдаче (80—120 лм/Вт) во много раз превзошли лампы накаливания и некоторые типы люминесцентных источников.

Конец бесплатного ознакомительного фрагмента.