Сидней Уитингтон - История инженерного дела. Важнейшие технические достижения с древних времен до ХХ столетия

В 1729 году, спустя век после Галилея, Питер ван Мушенбрук (1692–1761), профессор Лейденского университета, сконструировал машины для испытания небольших железных балок, каменных плит и дерева на растяжение, сжатие и изгиб (рис. 7.13). Французский инженер Жан Родольф Перроне (1708–1794) спроектировал реверсор, при помощи которого на прессе можно было производить испытания на растяжение. Он сделал это в 1768 году, во время строительства моста в Нейи, Франция. Согласно традиции, он производил испытания, чтобы знать заранее, будут ли стоять его необычайно плоские арки. Его коллега Жан-Батист Ронделе (1743–1829) в 1787 году пошел дальше и устранил большое количество неточностей, возникавших в машине Перроне из-за трения. Он заменил ось опорной призмой, сделав нечто похожее на весы бакалейщика, тем самым значительно уменьшив трение, и прикладывал нагрузки поворотом винта. Это была первая машина, использовавшая все свойства рычага и винтового привода. Машина мощностью 100 тонн была вскоре построена для Ле-Гавра и впервые использовалась для испытания материалов с большим поперечным сечением.

В XIX веке, когда промышленность расширялась и активно велось строительство дорог и мостов, практика и научная теория шли рука об руку. Ученые-экспериментаторы, инженеры и промышленники объединились, стараясь установить допустимые напряжения для цепей корабельных якорей, канатов и цепей для подвесных мостов, устойчивости чугунных колонн, прочности железнодорожных рельсов и клепаных соединений в котлах. Больше не было необходимости в сверхпрочных римских конструкциях. Границы безопасности можно было с уверенностью рассчитать. Материалы для моста Телфорда через пролив Менай в Уэльсе в 1820 году были заранее испытаны, и в процессе строительство много материалов было сэкономлено. После серии взрывов котлов в США в 1830-х годах комиссия института Франклина в Филадельфии произвела широкие испытания кованого железа, используя машину, которую до сих пор можно видеть в музее института. Но риск оставался, и катастрофы случались. Ученые-теоретики изучали гидравлику, что имело огромное значение для инженеров. Даниель Бернулли (1700–1782), швейцарский математик и физик, один из восьми выдающихся ученых в семье Бернулли из Базеля, в 1738 году заложил основы для последующих трудов по движению воды, легких масел, бензинов и других жидкостей низкой вязкости. Его теорема относительно давлений и скоростей полностью соответствует закону сохранения энергии. Если вдоль линии тока давление жидкости возрастает, то скорость течения убывает. Полный напор, или энергия жидкости, текущей на любом участке трубы, эквивалентна полному напору на любом другом участке, если нет трения. При проектировании трубопроводов, таких как Большой Дюйм и Малый Дюйм в США, а также акведуков, вроде тех, что снабжают Лос-Анджелес и Нью-Йорк, современные инженеры полностью полагаются на законы и уравнения гениального швейцарского математика.

Рис. 7.13. Испытательная машина Мушенбрука (из Physicae experimentalis et geometricae, 1729)

Французский современник Бернулли Анри Пито (1695–1771) занимался независимыми исследованиями в области гидравлики на основании работ Торричелли. Ему было уже двадцать лет, когда он заинтересовался наукой, но он прогрессировал очень быстро и вскоре стал членом Академии наук. Однако славу Пито заслужил своими работами инженера-гидравлика. Используя теорию Торричелли, он в 1732 году создал устройство для измерения на любой глубине в открытом или закрытом канале скорости движущейся жидкости. Оно представляет собой Г-образный трубчатый корпус, часть которого погружается в закрытую полость трубы открытым концом навстречу потоку жидкости. Высота жидкости в трубе – индикатор скорости потока. Трубка Пито бесценна и для сегодняшних инженеров. Она экономит время и помогает точно измерять скорости воды, газа и пара в трубах или потока воздуха в аэродинамических трубах в самолетостроении. Она применяется и в современных самолетах, являясь индикатором скорости воздуха.

Прогресс в металлургии пришел вместе с паровыми машинами. Металлурги Дарби, Уилкинсон и Корт так же изменили ход истории, как создатели паровых машин Севери, Ньюкомен и Уатт. Производство железа и качественной стали веками считалось искусством. Мечи Дамаска и Толедо в Испании, ножи Шеффилда в Англии, изготовленные из шведской руды, пользовались большой популярностью в Средние века. Римляне использовали железо и для гражданских, и для военных целей. Но только теперь металлургия и в Европе, и в Америке приобрела огромные масштабы и имела большие последствия.

Еще ранние ремесленники обнаружили, что древесина, сожженная в контакте с определенными рудами, превращает их в очень полезные металлические вещества. Те, кто работал с металлом, знали, как добавлять уголь и нагревать, ковать и снова нагревать смеси, пока они не избавятся от примесей и станут тверже или мягче, прочнее, более гибкими или хрупкими – какими нужно. Они понимали разницу между кованым железом и чугуном и знали, что такое сталь. Они обнаружили, что одни руды лучше других, хотя, вероятнее всего, не знали, почему с одними работать легче, чем с другими, и почему из тех, в которых есть сера и фосфор, получается некачественная сталь. Также они обнаружили, что для производства железа лучшее топливо – древесный уголь. Последствия оказались двоякими. Лучшие ранние ремесленники довольно часто получали надежные продукты в небольших количествах. А там, где промышленность успешно развивалась, использование древесного угля уничтожало леса.

Именно это бедствие, а вовсе не успехи ранних металлургов, привело к следующему крупному шагу в металлургии. Считается, что выплавка железа с использованием угля имеет такое же историческое значение, как норманнское завоевание Англии, подписание королем Иоанном Хартии вольностей, открытие Америки Колумбом и поражение Наполеона Бонапарта. Американцы могут возразить по поводу Колумба или добавить к перечню еще несколько событий, но день в 1709 году, когда Абрахам Дарби (1677–1717) выплавил железную руду с использованием угля на промышленной основе, был днем революции, и не только в металлургии. Он определил последующую историю Британии и всего мира тоже.

Вырубка британских лесов была предсказуема и всячески осуждалась. Адмиралы и государственные деятели тревожились о будущем королевского флота и британского господства на море, если исчезнут дубовые леса. Экспедиция Рэли 1585 года имела первостепенной целью создание колонии в Америке для производства железа с использованием бескрайних лесов нового континента. В 1607 году была основана Вирджиния и в 66 милях от Джеймстауна построены одна печь и две небольшие кузницы. Результатом стала резня 22 марта 1622 года. Индейский метод сохранения своих лесов заключался в разрушении печей и убийстве рабочих.