Том Джексон

Взламывая технологии

Tom Jackson

Engineering. An Illustrated History from Ancient Craft to Modern Technology

© Worth Press Ltd, Bath, England, 2016

© Shelter Harbor Press Ltd, New York, USA, 2016

© Оформление. ООО «Издательство „АСТ“», 2021

* * *

Введение

При написании истории великих открытий часто забывают о роли инженеров. Воздавая должное ученым, расширявшим границы известного, нередко недооценивают роль инженеров, которые превращали обретенные знания в то, что изменило окружающий мир. Инженерные решения воплощали науку в жизнь, улучшали и облегчали жизнь людей еще на заре цивилизации.

Идеи и деяния великих мыслителей неизменно становятся основой для интереснейших историй. В этой книге мы собрали сотню таких рассказов. В каждом из них описывается серьезная проблема, которая привела к изобретению, изменившему наши жилища, города, фермы, всю нашу жизнь.

Слово «инженер» многие люди понимают по-разному. Некоторые полагают, что инженер — это человек, который занимается ремонтом их сломанных вещей, но на самом деле круг задач, стоящих перед инженерами, намного шире. По сути, история инженерного дела — это и есть история человеческой цивилизации. Каждая цивилизация порождала собственные технологии, инструменты, машины и приемы строительства. И каждая цивилизация — вавилоняне, древние египтяне, инки и римляне — расцвела и возвысилась именно благодаря ссвоим технологиям. А развитием технологий занимаются инженеры. Они берут знания об окружающем мире и придумывают нестандартные способы их применения для решения различных проблем, в том числе изобретают новые машины или улучшают старые процессы. И по мере того, как ученые накапливают знания об устройстве мира, инженеры создают все более совершенные технологии.

Этот камень не выглядит как-то особенно, но его возраст составляет около 2 млн лет, — это первое орудие, изготовленное из более крупного куска породы

Самое начало

Технологии постоянно обновляются и совершенствуются. Оглянитесь вокруг — и вы увидите окружающие вас плоды многовековых трудов инженеров. По сути, инженерное дело столь же древнее, как и само человечество. Более трех миллионов лет назад наши древние предки научились создавать грубые каменные орудия — и это была технология, которая помогла им выжить.

Строительство

Темп технологического прогресса был очень медленным. Потребовались многие сотни тысяч лет для того, чтобы появились более совершенные инструменты и новые приемы работы, но насколько далеко мы с тех пор продвинулись! Древние цивилизации совершили ряд величайших изобретений: их инженеры изобрели лодки, научились тушить пожары, создавать керамику, делать кирпичи и даже бетон. Они поняли, как очищать и использовать металлы, такие как медь и железо. И давайте не будем забывать о колесе, которое появилось как минимум 5000 лет назад.

Пирамиды Гизы были построены около 2500 г. до н. э. Высота Великой пирамиды 147 м (справа), она была самым высоким сооружением в мире до 1311 г., когда ее превзошел Линкольнский кафедральный собор

Даже сегодня инженеры опираются на эти достижения древних: в двигателях они укротили энергию сгорающего топлива, преобразовав его в движение. Жесткий диск компьютера вращается так же, как колеса, шестеренки в часах или жернова, которые перемалывают пшеницу в муку для хлеба. Бетон и сталь (упрочненная форма железа) — наиболее часто используемые материалы в наших постройках. Они позволяют создавать невероятно широкие мосты, высокие небоскребы и гигантские плотины, способные сдерживать течение крупнейших рек в мире.

Революция

Трудно даже представить себе скорость перемен в современном машиностроении. Порой только что придуманную технологию уже сменяет другая, более совершенная. Мы можем проследить это ускорение до его истока — инженерной революции.

В этот момент вы, наверно, поизносите про себя слова «промышленная революция», но до нее была еще одна — сельскохозяйственная революция, которая началась в XVIII в. Создание в Англии новой сельскохозяйственной техники (например, сеялки), а также улучшение конструкции плуга позволили сократить число людей, занятых выращиванием достаточного для всего населения количества пищи. Это создало резерв рабочей силы, заполнившей новые рабочие места: на предприятиях, созданных промышленной революцией.

«Атмосферный двигатель» 1712 г. Томаса Ньюкомена был первой работающей паровой машиной. Его использовали для откачки воды из угольных шахт, а уголь применяли как топливо для новых видов паровых двигателей

Не оглядываясь назад

Промышленная революция происходила на протяжении большей части XIX в. В этот период возникло много нового: инженеры разработали способы промышленного производства большими партиями, изобрели поезда, автомобили, океанские лайнеры и первые летательные аппараты. Что еще произошло с той поры? Да очень, очень многое.

Сегодня более половины населения мира живет в городах, а не в сельской местности. Города с их дорогами, канализацией, электросетями и небоскребами, — это поселения людей, полностью созданные инженерами. В будущем мы можем построить жилища в космосе и создать роботов, которые будут сами мыслить и делать за нас всю работу. Этой технике нужна энергия, сырье, но еще она загрязняет природу. Как мы будем решать эти важные проблемы? Вопрос к инженерам.

Этого металлического парня, управляемого компьютером, зовут Atlas. Он может ходить, поднимать предметы и открывать двери. Однажды такие роботы могут стать обычным явлением — они будут выполнять работы, которые слишком трудны или опасны для человека

Применение научных открытий

Инженеры работают во многих отраслях, но все они задаются одним и тем же вопросом: «Как применить имеющиеся у них знания для решения стоящих перед ними задач; как улучшить нашу жизнь?» Давайте вспомним основные примеры технических достижений, формирующих облик современного мира — и мира будущего.

Авиация

Авиационные инженеры создали все, что движется, рассекая воздух, — но это не только самолеты, а еще и автомобили, поезда и турбины. Авиаинженеры изучают движение воздушных потоков около созданных ими конструкций, стремясь убрать все возможные помехи на их пути.

Строительство

Дороги, мосты, дамбы и прочие объекты инфраструктуры — все это проектировали и строили инженеры-строители. Часто они используют бетон и сталь, создавая конструкции, которые простоят не одно десятилетие.

Промышленность

Инженеры-технологи создавали машины и инструменты, используемые в промышленности. Здесь необходимо обеспечить совместную работу нескольких систем так, чтобы производство стало безопаснее и эффективнее.

Экология

Инженеры, работающие в этой области, решают вопросы, связанные с защитой окружающей среды от загрязнения. В том числе разрабатывают возобновляемые источники энергии, например энергию солнца. Кроме того, геоинженеры ищут способы улучшения климата.

Архитектура

Это одна из старейших областей инженерного дела, она обеспечивает прочность здания на долгие годы. Инженеры-архитекторы участвуют в проектировании любого здания, от низкой деревянной пристройки до небоскреба, пронзающего облака.

Мореплавание

В этой области инженеры создали все, что передвигается или стоит в воде. Они не только проектируют более успешные и безопасные судна, но и разрабатывают двигатели кораблей.

Компьютер

Здесь инженеры разрабатывают оборудование (электронные платы, дисплеи, устройства ввода-вывода) и пишут программы. Все эти составляющие должны работать вместе и без сбоев.

Генетика

В этой области инженерное дело соединяется с биологией. Генные инженеры пытаются создать новые формы жизни, редактируя генетический материал. Эта технология делает возможным внедрение генов из одного вида в другой, а в будущем — создать полностью искусственные гены.

Электричество

Огромная отрасль инженерного дела, объединяющая все, начиная от постройки электростанций и прокладки безопасных электросетей и заканчивая разработкой полезных электрических машин, от тостеров до электрокаров. Большая инженерная задача — разработка батарей и других систем для хранения электроэнергии.

Химия

Химики разрабатывают технологии, позволяющие получать полезные материалы из различных ингредиентов. Большую часть химических веществ получают из нефти, однако химики неутомимо ищут альтернативные источники, такие как уголь или даже летучие газы.

Механика

Это самая древняя часть инженерного дела, где создают механизмы, состоящие из движущихся элементов: простые устройства вроде рычагов, колес и винтов, их комбинации, более сложные конструкции. Механики также занимались разработкой двигателей, преобразующих тепловую энергию в движение, а ныне они задействованы в разных областях от производства автомобилей до разработки роботов.

Робототехника

Здесь инженеры соединяют знания компьютерных технологий и машиностроения, чтобы построить машины, способные оценивать окружающую среду и самостоятельно работать над задачами.

Материаловедение

Эта область лежит между наукой и практикой. Чтобы понять, какие вещества можно использовать для улучшения устройств, инженеры изучают свойства материалов, новых сплавов и пластмасс: прочность, электропроводность, магнитные характеристики, реакцию на перепады температуры и на воздействие различных химикатов.

Медицина

Инженеры играют важную роль и в медицине — разрабатывают более эффективные инструменты диагностики (скажем, МРТ), а также устройства, улучшающие качество жизни пациента (вроде кардиостимуляторов, протезов и аппаратов для введения лекарств).

Технология работы с камнем

Техника обработки камня старше самого человечества. Далекие предки Homo sapiens (современных людей) начали делать и использовать каменные инструменты еще 3,3 млн лет назад.

Недавно полученные данные свидетельствуют о том, что уже австралопитеки, наши самые древние прямоходящие предки, использовали обломки камней как режущий инструмент. Однако старейшие обработанные каменные орудия — это набор инструментов, обнаруженный в Олдувайском ущелье в Танзании. Он включает отбойники и чопперы из гальки. От последних ударами откалывали обломки, острая режущая кромка которых использовалась для разрезания кожи и мяса.

Медленный прогресс

Потребовался почти миллион лет, прежде чем Homo erectus, предок современных людей, научился отламывать крупные осколки камня, а затем делать у них острую кромку, скалывая или стесывая небольшие осколки с краев. Эта революционная технология каменного века заложила основы ашельского инструментария, названного в честь местечка Сент-Ашель во Франции. Там в 1847 г. были впервые обнаружены подобные инструменты из обтесанного камня, в том числе каменное рубило. По следам износа на нем установлено, что подобные орудия использовались для выполнения самых разных задач, в том числе рытья земли, расщепления древесины, разделки туш и снятия шкур животных. Новая технология стала быстро распространяться. Самые ранние известные инструменты ашельского типа были найдены в Африке, их возраст около 1,6 млн лет, а находки из Южной Азии и Европы всего на пару тысяч лет моложе.

Длина каменного рубила обычно была от 12,5 до 20 см, чаще всего оно имело каплевидную форму. Более крупные не использовались для работы; считается, что они были церемониальными или статусными предметами

Обтесывание камня и язык

Много исследований посвящено развитию речи. Недавние исследования нашли доказательства того, что умение создавать инструменты и способность общаться могли эволюционировать одновременно. Сканирование мозга современных мастеров-каменотесов, обкалывавших камни по древней технологии, показывает, что у них работает та часть мозга, которая связана с речью. Возможно, язык развивался и тогда, когда наши древние предки обучали обработке камня своих детей.

Новые технологии и материалы

Форма инструментов ашельского типа продержалась невероятно долго — в некоторых местах их продолжали делать еще 250 000 лет назад, то есть примерно в то же время, когда в Африке возник современный вид Homo sapiens. Технология создания подобных инструментов усложнялась, их делали из все более мелких осколков камня. В то же время большое распространение получили изделия из кости и рогов.

Этот зазубренный наконечник гарпуна был вырезан из кости в Африке около 85 000 лет назад

Приручение огня

Невозможно точно сказать, когда именно наши предки впервые начали добывать и использовать огонь. Умение управлять огнем стало большим шагом вперед в истории человеческой цивилизации, ведь огонь дарил свет и тепло, обеспечивал защиту и лучшее питание.

Согласно некоторым археологическим данным наши предки добывали огонь еще 1,5 млн лет назад. Другие данные указывают, что найденные следы могли остаться от природных пожаров. Последние находки показывают, что первыми гоминидами (люди и предшествовавшие нам виды), которые намеренно использовали огонь, были Homo erectus, жившие в Африке более миллиона лет назад. Исследователи, изучавшие пещеры Вондерверк в Южной Африке, обнаружили кострище с обгоревшими костями животных и сделали вывод, что огонь использовался для приготовления пищи. (Самый ранний подтвержденный очаг был найден в пещере Кесем в Израиле, его возраст около 300 000 лет.)

Находка в пещере Вондерверк подтверждает «кулинарную гипотезу» — теорию происхождения человечества, предложенную зоологом Ричардом Рэнгемом. Когда около 1,8 млн лет назад появился Homo erectus, он существенно отличался от своего предшественника Homo habilis: мозг стал больше, зубы — меньше, а тело — очень похожим на наше. Рэнгем предположил, что это произошло вследствие укрощения огня. Приготовленную пищу стало легче есть и переваривать, что давало дополнительные калории для большего и нуждающегося в постоянной энергетической подпитке мозга, к тому же очаг обеспечивал тепло и защиту от хищников.

Лучковая дрель коренных американцев — это древний инструмент, позволяющий добывать огонь. Длинный стержень, вставленный в отверстие опорной дощечки, вращается по и против часовой стрелки (на рисунке дрель подвешена). Трение двух деревянных предметов обеспечивает достаточно тепла для того, чтобы зажечь растопку

Спичка

Прошло много лет, прежде чем был изобретен надежный портативный самовоспламеняющийся источник огня. В 1826 г. Джон Уокер, химик из Стоктон-он-Тис, Англия, попытался соскрести смесь химических веществ (в том числе серы и фосфора), которые засохли на конце палочки, которой он перемешивал свои составы. К его удивлению, когда он провел палочкой по каменному полу своей лаборатории, на ней загорелось пламя. Так совершенно случайно Уокер изобрел спички. Вскоре он начал продавать спички, упакованные в картонную коробку, в которую был вложен кусочек наждачной бумаги.

Искры и трение

Поначалу наши предки использовали огонь, зажженный молнией. Лишь значительно позже они смогли разработать технологию добычи огня. Существуют две методики: можно ударять камнем по камню, высекая искры, а можно добывать огонь трением — тепло вырабатывается путем трения твердых поверхностей до тех пор, пока легковоспламеняющийся материал не нагреется достаточно сильно, чтобы загореться.

Первые лодки

Старейшая из найденных лодок — это трехметровое каноэ из Пессе, Голландия, оно датируется 8000 г. до н. э. Но есть много свидетельств того, что люди передвигались по воде еще 800 000 лет назад.

Homo erectus в Африке умели делать каменные орудия и добывать огонь. Они также научились делать лодки. За 1,5 млн лет существования они расселились по Африке, а затем и по всему миру. Их каменные орудия находили в Малайском архипелаге на острове Флорес, до которого с материка можно добраться, только переплывая с острова на остров и покрывая при этом расстояние до 16 км. Это является убедительным доказательством того, что Homo erectus создавали мореходные корабли за 600 000 лет до появления современного человека.

От этих первых лодок не осталось никаких следов, но, имея представление об инструментах и материалах, доступных этим судостроителям, можно предположить, что использовались бамбуковые плоты. Наверно, эти доисторические судна мало чем отличались от бамбуковых плотов, широко распространенных в Азии вплоть до конца XX в.

Выдолбленные каноэ стали шагом вперед по сравнению с примитивными плотами. Плот можно сделать с помощью простых режущих инструментов, тогда как для создания выдолбленных лодок потребуются более совершенные инструменты, такие как топоры и зубила

Плавание под парусом

Первые известные нам парусные суда появились в Месопотамии примерно 5000 лет назад. Их квадратными парусами почти невозможно было управлять, и они несли корабль по ветру. Треугольные «латинские» паруса, как на фотографии этого дау из Индийского океана, были изобретены жителями Средиземноморья около 2200 лет назад. Он позволяет плыть против ветра и даже сейчас используется на современных парусниках.

Переход через океан

Около 6000 лет назад восточноазиатские переселенцы пересекли Юго-Восточную Азию, Индийский и Тихий океаны, впервые переплыв океан. Они совершили этот переход на каноэ с аутригером, выступающим элементом вдоль борта, который обеспечивает лодке большую устойчивость в бурном море. Используя такие лодки, люди постепенно заселили все океанские острова, добравшись до Новой Зеландии, последней крупной незаселенной территории, около 700 лет назад.

Для постройки корабля можно использовать любой плавучий материал. У этой тростниковой лодки традиционный дизайн речного судна, использовавшегося в Месопотамии. Подобные конструкции можно также увидеть на озере Титикака в Андах

Керамика

Около 20 000 лет назад люди начали открывать способы изменения свойств используемых ими материалов. Изделие из глины, керамика, — первый пример созданного людьми синтетического материала.

Глина — широко распространенный природный материал, который легко принимает любую форму. Скорее всего, искусство лепки из глины было открыто в разных уголках Земли независимо друг от друга. Самые ранние примеры использования глины — статуэтки, сделанные в 29 000–25 000 гг. до н. э. и обнаруженные в Чехии. Археологи считают, что люди начали использовать глину для изготовления емкостей для воды или еды около 13 000 лет назад в Японии. Наверно, неслучайно в это же время образуются оседлые земледельческие общины, ведь кочевым племенам охотников и собирателей было неудобно таскать с собой тяжелые и хрупкие глиняные соссуды.

Развитие технологии

Скорее всего, люди замечали, как сырая глина затвердевает в жару на солнце, и думали, можно ли усовершенствовать этот естественный процесс. Еще 13 000 лет назад японские гончары «обжигали» предметы из глины, просто поместив их в огонь (см. врезку ниже).

Первые горшки делались путем укладывания и разглаживания спиралей из глины, пока не получался сосуд нужного размера и формы. Это был довольно трудоемкий процесс. Гончар должен был ходить вокруг формующегося горшка, сжимая и разглаживая глину так, чтобы ее слои ложились ровно. Было бы проще, если бы горшок мог бы вращаться сам. Изобретение гончарного круга произошло около 3500 г. до н. э. в Месопотамии, примерно в то же время впервые для перевозки грузов было использовано колесо. Первые гончарные круги представляли собой просто небольшие вертушки для ускорения процесса наложения полос глины. Прошло еще несколько веков, прежде чем появился быстро вращающийся гончарный круг и возникла техника формования комка глины.

Многие из самых ранних керамических изделий — это маленькие фигурки, как, например, эта, найденная в Болгарии. Она была сделана около 7000 лет назад

Древнейшими обожженными сосудами считаются керамические изделия культуры дзёмон, Япония. Их делали формованием и разглаживанием глины вручную

Тонкий фарфор

Около 3000 лет назад в китайских печах удалось добиться температуры 1499 °C. В таких условиях глина становится подобной стеклу, поэтому керамические предметы можно сделать более тонкими и легкими. Этот материал стал называться фарфором.

Обжиг

Когда глина нагревается до 1000 °C и более, минералы высыхают, расплавляются и спекаются, становясь тверже. Это и есть обжиг. Самый простой способ обжечь глину — закопать горшки в костер (справа). Но в специальной печи можно достичь более высоких температур и дольше их поддерживать. Перед обжигом горшки, как правило, покрывают глазурью, солью или золой, благодаря чему керамика становится водонепроницаемой. Готовое изделие можно раскрасить.

Мегалит

Мегалиты (от греч. «большие камни») использовались для строительства монументов в 4500–1000 гг. до н. э. Усилия, затраченные на строительство, показывают, что эти сооружения имели огромное значение для тех людей, которые их строили.

Одним из самых распространенных видов мегалитических структур является дольмен — небольшая каморка, сложенная из огромных обтесанных камней. Чаще всего внутри и вокруг дольменов находились захоронения (видимо, влиятельных людей). Такие постройки встречаются по всей Европе, в Азии и Африке. Типичный дольмен состоит из вертикальных стоек и положенного на них плоского камня. Вес таких плит может превышать 100 тонн. Возраст древнейших известных дольменов Западной Европы — около 7000 лет. Ведется много дискуссий о том, как именно поднимались эти огромные камни. Есть мнение, что их втаскивали по земляным насыпным пандусам. По другой версии их сначала с одной стороны приподнимали на несколько сантиметров и закрепляли брусом, а затем делали то же самое с другой стороны. В результате деревянные подпорки заменялись вертикальными каменными стойками.

Стоунхендж в Южной Англии является самым знаменитым мегалитическим сооружением. Он был возведен около 2500 лет назад, но исследователи до сих пор находят в этом регионе конструкции из камня, земли и дерева, созданные ранее и позднее Стоунхенджа

Работа великанов

Для объяснения появления и постройки мегалитических сооружений было создано множество легенд. Например, про Стоунхендж говорят, что он был построен волшебником Мерлином, который нанял великана, чтобы выполнить эту работу. Дольмены в Португалии считались работой Зачарованной Моуры — красивой рыжей женщины-быка с копытами. Моура может также сплести лучи солнца, а еще ей приписывают обучение людей прясть, ткать, пахать и варить пиво.

Стоячие камни

Другим мегалитическим сооружением является менгир (что означает «длинный камень»). Это длинный вертикальный камень, часто гигантского размера. Нередко их устанавливали группами в линию или в круг. У города Карнак, Франция, было найдено 2935 менгиров, образующих параллельные ряды; примерный возраст этой постройки — 6500 лет. Знаменитый Стоунхендж в Англии относится к другому типу мегалитических структур — трилиту, когда на два вертикальных каменных столба горизонтально уложен третий камень-перемычка. Скорее всего, менгиры выполняли церемониальные функции, но какие именно — до сих пор это остается темой споров и обсуждений.

Постройка городов

Английское слово city (город) возникло из латинского civitas, от которого также произошло слово «цивилизация». Города подразумевают цивилизацию, и люди начали строить постоянные поселения около 12 000 лет назад, когда начали заниматься сельским хозяйством.

Возникновение земледелия означало, что еда стала более доступной и ее можно накопить на несколько месяцев вперед. Освободившись от необходимости тратить большую часть дня на поиски пищи, человек смог потратить свое время на что-то другое и отточить ряд определенных навыков — так некоторые и стали первыми инженерами!

Древние руины

На примере поселения Чатал-Гуюк в Турции можно понять, как проходила жизнь в первых городах. В домах, построенных 9500 лет назад, были устроены большие оштукатуренные комнаты с приподнятыми платформами, которые использовались в качестве столов и кроватей. Видимо, в хорошую погоду жители работали на крышах домов, а соседние крыши соединялись между собой, образуя общую рабочую площадку.

Урук, расположенный в долине Тигра и Евфрата на территории нынешнего Ирака, — самый старый город, о существовании которого имеется документальное подтверждение. Впервые люди поселились там около 4500 г. до н. э. Однако Алеппо (это современный город в Сирии) был заселен около 6000 г. до н. э., а возраст Иерихона, расположенного на Западном берегу Палестинской автономии, соизмерим с возрастом Чатал-Гуюка.

В Чатал-Гуюке, Турция, были открыты руины города, построенного примерно 9500 лет назад, что позволило понять, как выглядели дома в начале бронзового века

Кирпичи

Есть свидетельства того, что здания в Иерихоне были выстроены из кирпича, который использовался уже в 8350 г. до н. э. Его просто делать, к тому же это хорошее применение отходов, оставшихся после сбора урожая зерновых: нужно просто смешать грязь с водой, добавить солому в качестве связующего материала, уложить смесь в форму и оставить сушиться на солнце. С той поры кирпич стал основным строительным материалом, хотя сегодня его изготавливают, как правило, из обожженной глины.

План города

Около 5000 лет назад города обычно были окружены оборонительными станами. В центре города, скорее всего, располагался дворец правителя и храм божества, охраняющего город. Вокруг этой центральной площади жались дома. Увеличение населения потребовало социальной организации и некой инфраструктуры, обеспечивающей устойчивое развитие. Это, в свою очередь, повлекло постройку соответствующих сооружений, необходимых для выполнения различных важных задач, вроде складов для хранения запасов пищи или мастерских, где можно создавать инструменты.

Все здания в Чатал-Гуюке были одинакового размера, поэтому археологи предположили, что эти здания были общественными. Одни здания использовались для религиозных целей (см. выше), а другие — для бытовых

Плуг

Плуг — это одно из самых важных сельскохозяйственных орудий, с его помощью делали борозду и разрыхляли почву для посадки сельскохозяйственных культур, внесения в почву удобрений и борьбы с сорняками.

Предшественником плуга была простая палка-копалка, заостренным концом которой рыхлили землю, прежде чем посеять семена. Затем к палке были приделаны рукоятки, чтобы ее легче было проталкивать сквозь почву. Около 6000 г. до н. э. в Месопотамии и в долине реки Инд приручили быков, что позволило облегчить работу в поле. Появилась первая конструкция плуга — соха, в ней палка-копалка была прикреплена к хомуту, в который впрягали тягловое животное. Соха была хороша только при работе на легких песчаных почвах. Около 1000 г. до н. э. стали использовать железный лемех, который постепенно заменил соху. У него есть острая режущая кромка, способная резать влажную и плотную почву.

Средневековая деревянная соха

Обработка металлов

Невозможно переоценить роль металлообработки, которую она играет в течение последних 8000 лет в человеческой истории. Металлы можно ковать, придавая им любую форму, из них делаются чрезвычайно твердые и острые предметы.

Первыми обрабатываемыми металлами были серебро, медь и золото, потому что они встречаются в природе в металлическом виде. Хотя медь иногда находят в виде почти чистых самородков, обычно ее и большинство других металлов добывают из соединений с другими материалами как часть руды. Чтобы выделить медь или другие металлы из руды, необходимо воздействие очень высоких температур (процесс плавки), и вероятно, что первыми обнаружили это гончары, когда экспериментировали и пробовали новые методы обжига керамики. Можно представить себе неизвестного гончара, с интересом наблюдающего, как из его печи вытекает светлый ручеек расплавленного металла.

Золото

Золото плохо соединяется с другими веществами, поэтому оно не смешивается с кислородом — не окисляется (не тускнеет и не поддается коррозии), что делает его идеальным материалом для создания украшений и других предметов искусства. Эта устойчивость и редкость золота сделали его символом власти и авторитета. Около 2500 лет назад ювелиры царя Крёза из Лидии — древнего государства на территории современной Турции — разработали усовершенствованные методы очистки золота, которые позволили этому царю чеканить первую в мире стандартизированную золотую монету. С тех пор золото ассоциируется с богатством, считаясь ценнейшим материалом.

От меди к бронзе

Примерно между 5000 и 3000 гг. до н. э. у народов Ближнего Востока и Средиземноморья возросла роль торговли медью. Медь — это мягкий металл, он хорошо подходит для изготовления изделий, но не годится для инструментов или оружия.

Медь часто встречается в руде вместе с оловом, и когда они выплавляются, образуется более твердый сплав. Смешивая медь и олово в соотношении примерно 9: 1, мастера получили бронзу — первый промышленный металл. Она намного тверже, чем медь или олово по отдельности, и ее можно ковать до острого режущего края. Кроме того, бронза плавится легче меди, что облегчило отливание изделий в формах.

Бронзовый век (период истории, когда бронза была основным используемым материалом) длился примерно 2500 лет: с 3500 до 1000 г. до н. э. Это было время, когда зарождались и гибли цивилизации, прокладывались важные торговые пути, чтобы доставлять олово, необходимое для производства бронзы.

Этот шлем бронзового века из Спарты был сделан так, чтобы защитить голову его владельца от меча и копья. Шлем выполнен из бронзы

Природная острота

Обсидиан — это природное вулканическое стекло, от которого можно откалывать чешуйки и получать невероятно острый режущий край. Народы доколумбовой Мезоамерики, в том числе майя, ольмеки и ацтеки, использовали обсидиан, чтобы делать острые орудия для охоты, домашних нужд и войны. Полезные свойства обсидиана настолько высоки, что у мезоамериканцев не было стимула для развития металлургии.

Горячее и прочнее

Около 1200 г. до н. э. произошло несколько открытий, позволивших вступить в новую эпоху обработки металлов — железный век. Во-первых, в качестве топлива стал использоваться древесный уголь, который позволял удалять вредные примеси из железной руды. Кроме того, были придуманы мехи, которые увеличивают количество кислорода, поступающего в печь, что обеспечивало более высокую температуру, необходимую для выплавки железа.

Эти древние печи, известные как шлаковые ямы или сыродутные печи, были еще недостаточно жаркими, чтобы полностью расплавить железо. Вместо этого в них получались крицы — смесь железа и других материалов, которые можно было очистить путем повторного нагрева и ковки. Железо — четвертый по распространенности элемент на Земле, и бронза была популярна не из-за качества, а потому, что ее проще выплавлять в больших количествах. По мере улучшения печей улучшилось и качество железа, которое прочнее и тверже бронзы.

Колесо

Попробуйте представить, каким был бы мир, если бы не было придумано колесо. Это почти невозможно. Колесо, несомненно, является одним из величайших изобретений, оно используется для перевозки грузов, в гончарном деле, в часах и даже компьютерный диск — это колесо!

Многие из наших технических инноваций были вдохновлены природой, но колесо не из их числа. Естественный отбор до сих пор не создал в живой природе ни одного колеса. Согласно имеющимся данным, впервые колесо использовалось в Месопотамии 5000 лет назад как вспомогательное гончарное устройство, и лишь затем у кого-то возникла идея использовать его для перевозки грузов.

Крупным достижением было не только само колесо, но и ось, на которую оно насаживалось. Первые колеса крепились на оси неподвижно и вращались вместе с ней. Это требовало большой точности. Колеса следовало хорошо закруглить, а ось должна была точно подходить по размеру: слишком толстая не будет свободно вращаться, а слишком тонкая не сможет выдержать нагрузку.

Первые телеги были узкими, чтобы оси могли быть короче и тоньше.

Колесница является частью шумерской картины с солдатами, датируемой 2500 г. до н. э.

Волочение грузов

Вместо колеса коренные американцы и представители многих других культур использовали волокуши или сани. Они состояли из двух деревянных шестов с закрепленной между ними платформой, на которую укладывали груз. Шесты закрепляли на спине собаки или лошади. Часто к бокам животного сначала привязывали два шеста, а потом крепили на них сзади багажную платформу.

Родина колеса

Изобретение колеса и оси было настолько сложной задачей, что, вероятно, произошло лишь однажды, а затем распространилось по миру. Их изобретатель должен был иметь доступ к металлическим инструментам, необходимым для создания колес и оси нужной формы. Самые ранние изображения телеги были обнаружены в Польше и других странах Центральной Европы, и есть предположение, что в то время как в Месопотамии использовался гончарный круг, Восточная Европа стала родиной колеса как средства передвижения. Один из возможных авторов колесных повозок — народ, живший в Триполье на Украине: там была найдена игрушка в виде телеги на колесиках, сделанная около 3800 г. до н. э., и могли быть повозки обычного размера.

Предшественниками колеса как способа транспортировки тяжелых грузов были валики. Они не были прикреплены к грузу, и поэтому постоянно приходилось переносить задние катки вперед

Натягиватели веревок

Для строительства необходимо уметь точно размечать земельные участки. В Древнем Египте землемеры назывались гарпедонаптами, или натягивателями веревок.

Натягиватели веревок занимались измерением границ строительных площадок. Для этого они натягивали веревку с узлами, завязанными через равные промежутки, и подсчитывали узлы. Чтобы наметить вертикальные линии, они использовали отвес — простой свинцовый груз, прикрепленный к А-образной стойке. Прямые углы участка создавались с помощью треугольника из веревки со сторонами в три, четыре и пять узлов. Эти цифры сейчас известны как пифагорова тройка — треугольник с такими длинами сторон всегда прямоугольный. Умение размечать прямые углы позволило создавать точные планы построек и было чрезвычайно полезно при постройке таких монументальных объектов, как пирамиды.

Стороны в три, четыре и пять узлов (считая угловые узлы) всегда образуют прямоугольный треугольник

Египетские натягиватели веревок за работой в полях долины Нила. Натягиватели веревок назначались самим фараоном, чтобы не было споров по поводу плодородных земель

Зиккурат

Примерно в 2500–500 гг. до н. э. жители Месопотамии строили в своих городах огромные ступенчатые храмы из кирпича.

У зиккуратов не было никакой внутренней структуры — богов Двуречья часто связывали с горами, и зиккураты могли строиться как имитация домов богов в самом центре города. Сегодня известно 25 зиккуратов, но ни один из них не сохранил первоначальную высоту. Почти у половины нет никаких ступеней, ведущих к храму на вершине, у других имеется спиралеобразный пандус. Есть мнение, что прообразом Вавилонской башни были зиккурат и храм Мардука в Вавилоне, а история о висячих садах Семирамиды возникла благодаря практике озеленения сторон и террас зиккуратов деревьями и кустарниками.

Чога-Занбиль в Иране — крупнейший из сохранившихся зиккуратов. В наши дни он имеет 105 м в ширину и 24 м в высоту — возможно, это половина от первоначальной высоты

Пирамиды

Пирамиды Древнего Египта строили в течение тысячи лет, чтобы хоронить тела фараонов. Строительство пирамид прекратилось около 1800 г. до н. э., когда люди поняли, что эти гробницы притягивают расхитителей могил и к тому же никак не защищают останки великих правителей. С тех пор фараонов и их жен начали хоронить в тайных гробницах.

По египетской традиции останки умерших должны оставаться нетленными, поскольку они совершают путешествие в загробный мир. По этой причине прилагались огромные усилия, чтобы создать хорошо защищенные мавзолеи для правителей Египта. Первых египетских фараонов хоронили в мастабах — прямоугольных конструкциях из кирпича или камня с плоской крышей, их длинные шахты спускались вглубь к погребальной камере. Около 2650 г. до н. э. Имхотеп, архитектор фараона Джосера, решил расположить шесть мастаб одну на другую, получив конструкцию в форме ступенчатой пирамиды. В ней было сделано множество переходов и комнат, включая погребальную камеру фараона. Эта самая древняя пирамида до сих пор стоит на западном берегу Нила в Саккаре близ древнего города Мемфиса.

Сейчас в Гизе можно увидеть три большие пирамиды. На фото Великая пирамида (самая большая) находится позади, перед ней стоит пирамида Хефрена (сына Хеопса), а на переднем плане — самая маленькая из трех, пирамида Микерина

Внутри великой пирамиды

Удивительно, но мы до сих пор не обнаружили всего, что можно найти внутри пирамид. Существует строгое правило, по которому раскопки не должны повредить эти исторические памятники, поэтому исследователи сумели добраться только до некоторых камер внутри Великой пирамиды Гизы. Среди них палаты фараона (недалеко от центра пирамиды), его жены (чуть ниже) и большая галерея, соединяющая обе погребальные камеры. Существует также комната, видимо, заброшенная во время строительства, которая расположена ниже уровня земли. Новые технологии, например инфракрасная термография и роботы-сканеры, позволяют изучить внутренние помещения более детально, но идея проникнуть в туннели и погребальные камеры сегодня воспринимается как недопустимый вандализм.

Гладкие грани

Следующий шаг в развитии конструкции пирамиды был сделан во времена правления фараона Снофру (2613–2589 гг. до н. э.), когда ступенчатые стены стали делать гладкими. В Мейдуме была построена ступенчатая пирамида, затем ступени заложили камнем и облицевали известняком. Началась также работа над другой пирамидой, у которой, видимо, изначально планировали сделать гладкие стены. Примерно на середине высоты угол наклона стен пирамиды уменьшается на несколько градусов. За свою необычную форму пирамида получила название Ломаной пирамиды. Считается, что архитекторы решились на изменение угла наклона, чтобы сделать пирамиду более устойчивой. Первая спроектированная и построенная истинная пирамида — Розовая пирамида в Дахшуре, которая, возможно, тоже была возведена при Снофру. Длина ее сторон у основания составляет около 220 м, а высота — 105 м.

Самая большая и самая известная пирамида — Великая пирамида в Гизе. Она была построена Хеопсом, сыном Снофру. Длина каждой ее стороны у основания — 230 м, первоначальная высота — 147 м, хотя сегодня, когда она лишилась облицовки из белого известняка, ее высота составляет всего 139 м. Исследователи подсчитали, что средний каменный блок, использованный при строительстве, весил более двух тонн, а самый крупный — 15 тонн.

Мезоамериканские пирамиды

Пожалуй, помимо египетских пирамид наиболее известны пирамиды Центральной и Южной Америки. Среди них — храм Кукулькана в Чичен-Ице, Мексика (ниже), и пирамиды Солнца и Луны, которые возвышались над древним городом Теотиуаканом (рядом с современным Мехико). Пирамида Солнца — одно из крупнейших сооружений доколумбовой Америки. Когда около 200 г. она была завершена, ее высота составляла 66 м, а ширина основания — 232 м. Пещера под пирамидой ведет к ряду комнат, в которых, по всей видимости, происходили различные ритуалы.

Технология строительства

Существует множество гипотез о том, как именно строились пирамиды. Чтобы строительная площадка была строго горизонтальной, использовались траншеи с водой. Натягиватели веревок обеспечивали идеальный квадрат основания пирамиды, а знания в области астрономии позволили египтянам ориентировать пирамиду по сторонам света.

Огромные каменные блоки для сооружения пирамид привозили на строительную площадку на деревянных санях, причем землю предварительно смачивали, чтобы уменьшить трение. Затем их поднимали по пандусам и укладывали на нужное место.

Египетские строители выламывали камни из карьеров с помощью сухих деревянных клиньев, которые расширялись, когда их пропитывали водой. Затем камню придавали форму с помощью медных инструментов. Однако медь была слишком мягкой, чтобы резать твердый гранит, использованный в некоторых частях пирамиды. Вполне возможно, что каменотесы использовали в качестве абразива песок, обволакивая им свои сверла и пилы. В любом случае, это был длительный и кропотливый труд. По словам греческого историка Геродота (середина V в. до н. э.), на строительстве Великой пирамиды работали 100 000 человек по три месяца в году в течение 20 лет, хотя современные исследователи полагают, что их число было намного меньше.

Считается, что блоки, используемые при строительстве пирамиды, доставлялись на место по земляным пандусам. Однако точная конструкция этих пандусов до сих пор неизвестна. Возможно, они были спиральными и окружали каменную кладку, или это были огромные наклонные плоскости

Арка

Одним из величайших достижений римской технологии было использование арки. Создание арок началось уже в 1800 г. до н. э., но древние египтяне и греки считали их неподходящими для своих построек.

Римляне усовершенствовали арку, используя ее при строительстве мостов, акведуков и крупных зданий, например Колизея. Преимущество арки перед перемычкой (горизонтальной балкой над проемом) в том, что она перераспределяет вес здания над ней на опоры, поэтому конструкция получается значительно более прочной. Блоки, из которых образован свод арки, называются клинчатыми камнями, а центральный из них — замковым камнем. Каждый из них вырезан таким образом, чтобы плотно прилегать к соседним. Пока арка строится, клинчатые камни поддерживают опорой, чаще всего деревянной. Последним устанавливают замковый камень, после чего опору убирают.

После завершения строительства римский Колизей состоял из 240 арок, установленных в три яруса

Орошение

Первые цивилизации в Египте и Месопотамии возникли на берегах рек, из которых брали воду для полива посевов. Поселения, расположенные вдали от легкодоступной воды, были вынуждены придумывать новые способы орошения.

Древние египтяне осуществляли лиманное орошение, используя регулярные разливы Нила, происходившие каждое лето. При этом они старались как можно дольше удерживать паводковые воды в прудах, некоторые из которых занимали площадь до 20 235 тыс. га, чтобы плодородный ил успел осесть. В течение нескольких недель уровень воды в реке падал, и она постепенно уходила, оставляя слой ила. В эту заболоченную почву осенью и зимой земледельцы сеяли зерно. Такая система позволяла ежегодно снимать всего один урожай, и крестьяне полностью зависели от разливов реки.

Разливы рек Тигр и Евфрат в Месопотамии были менее предсказуемыми и более быстрыми. Шумерские инженеры разработали способы удержания паводковых вод и распределения их на полях с помощью системы небольших каналов. Недостатком шумерской системы было накопление солей в почве и, как следствие, утрата ею плодородия.

Основной туннель кяриза был таким большим, что по нему мог пройти человек. Он разделялся на туннели поменьше, по которым вода поступала на поля для орошения посевов

Около 1000 г. до н. э. жители Персии (территория современного Ирана) разработали кяриз — систему водоснабжения, которая до сих пор используется в некоторых засушливых регионах мира. Вода забиралась из подземных горных источников и направлялась вниз с помощью группы пологих туннелей, длина которых могла достигать нескольких километров. Преимущество этого метода заключалось в том, что подземные туннели предотвращали испарение воды. Кроме того, при этом вода течет сама, и нет необходимости ее подкачивать. Туннели кяриза копались вручную. Через равные промежутки делались вертикальные шахты, через которые удалялся вынутый из туннеля грунт и осуществлялась вентиляция.

Шадуф

Шадуф был придуман в Египте и Месопотамии и до сих пор используется во многих странах. Он состоит из шеста, закрепленного на опоре. На длинном конце шеста подвешивается ведро на веревке, на коротком — противовес. Человек тянет веревку, чтобы опустить ведро в реку, и позволяет противовесу поднять ведро с водой.

Трирема

Быстрая и маневренная, трирема была элитным кораблем своей эпохи. Она называлась так потому, что имела три ряда весел. В V в. до н. э. мощь военно-морского флота трирем позволила афинянам доминировать на Эгейском море.

На триреме было по три ряда гребцов, сидящих друг над другом — это как минимум 30 весел длиной по 4,5 м с каждой стороны корабля. При полном комплекте гребцов судно в течение небольшого времени могло развивать скорость до девяти или десяти узлов. Трирема была также оснащена двумя парусами из папируса или льна, которые использовались при движении, но когда корабль шел в бой, их снимали и прятали.

Обнаруженные останки трирем позволяют предположить, что максимальная их длина была около 37 м. Корпус кораблей строился из дуба, для внутреннего убранства использовали древесину сосны, пихты и кипариса. Основным оружием триремы был обшитый бронзой таран, которым она пронзала вражеские суда. Иногда после удара трирема тонула, но обычно вражеское судно таранили для того, чтобы сразу же броситься на абордаж.

Во время дальних переходов триремы поднимали паруса, но в бою гребцы хватались за весла, чтобы быстро разогнать свое судно и протаранить врага

Большая клоака

Большая Клоака (Клоака Ма́ксима) в Риме была крупнейшей канализацией Древнего мира. И сегодня можно увидеть место сброса канализации в реку Тибр. Клоака Максима была построена в VI в. до н. э. и поначалу была открытым стоком городских отходов в реку.

В течение последующих нескольких веков Клоака Максима (лат. «величайшая канализация») была расширена, удлинена и закрыта каменными сводами, что позволило ей принимать увеличивающийся объем городских стоков. Сточные воды из бань, уборных, фонтанов, общественных зданий, а также смытая дождями дорожная грязь, — все это попадало в Клоаку Максима. Большие дренажные отверстия, расположенные по бокам улиц, отправляли избыток воды от акведука в дренажную систему. Жители сбрасывали свои помои в эти отверстия, чтобы вода уносила их прочь. Длина туннеля Клоаки Максима была около 900 м, ширина — 4,5 м, высота — 3,7 м. Во времена императоров (примерно в I в. н. э.) по туннелю можно было проплыть на лодке. Туннель был перекрыт сводчатой крышей, сделанной из массивных прямоугольных известняковых плит. Плиты были уложены на арки, установленные примерно через каждые 4 м.

В отличие от многих древних зданий Рима прочные арки туннеля Клоаки Максима сохранились до сих пор. Нередко по канализации город заливали паводковые воды из реки, но в XX в. римскую канализацию соединили с современной дренажной системой, чтобы предотвратить это явление

Ледник

До изобретения холодильника было нелегко получить прохладный напиток или сохранить скоропортящиеся продукты, особенно в жарких странах. Единственное решение этой задачи — построить ледник.

Ледник — очень древнее изобретение. Есть свидетельства, что одна такая конструкция была построена в Месопотамии еще в 1780 г. до н. э. В Китае были обнаружены остатки ледника, относящегося к 700 г. до н. э., но, скорее всего, такие ледники использовались и гораздо раньше.

Подготовка льда

Наиболее распространенный способ сохранить лед как можно дольше — тепло изоляция. Хранилище льда чаще всего делали в подземной камере, и его драгоценное содержимое упаковывалось в солому и защищалось от дневной жары толстыми стенами. Персы разработали якшаль (перс. «ледяная яма») — сооружение с куполом с подземным хранилищем льда внутри. Стены купола у основания имели толщину как минимум два метра, их делали из кирпича и покрывали смесью песка, глины, яичного белка, извести, козьей шерсти и золы — так обеспечивалась не только теплоизоляция, но и водонепроницаемость. Зимой воду из системы орошения кяриз подавали в каналы и оставляли замерзать на ночь. Лед разрезали на блоки и складывали в якшалях, которые затем плотно закрывались.

Конусовидная форма якшаля помогала сохранить лед холодным: теплый воздух поднимался по куполу и выходил через отверстия наверху. В течение дня внешние стены якшаля были покрыты соломой, чтобы защитить его от жаркого солнца, на ночь солому убирали, чтобы тепло якшаля уходило наружу, в холодный ночной воздух

Щербет

Щербет и сорбет — десерты, сделанные из фруктов со льдом. Оба названия произошли от персидского слова «шар-бат» (по-арабски «шараб»), обозначающего сладкий охлажденный напиток, традиционно сдобренный фруктами или лепестками цветов. Эти напитки были придуманы в Персии не менее 2000 лет назад благодаря широкому распространению свежего льда и завезены в Европу около 1000 лет назад маврами. В Сицилии щербет называется «гранита» — десерт из фруктов со льдом. В Италии, а затем во Франции, такой десерт со льдом превратился в сорбет, а затем появилось мороженое — смесь молочного жира и сахара, изобретенная в 1600-х гг.

Ветроловы

Персы также строили башни, которые назывались «бадгиры» (перс. «ветроловы»). Это своего рода пассивная система кондиционирования, которая работает за счет перенаправления ветра: загоняет воздух в отверстия над крышами зданий и направляет вниз, чтобы охладить расположенные ниже помещения. Один из распространенных типов ветролова вытягивает воздух из здания, чтобы его можно было заменить воздухом, охлажденным подземным кяризом. Ветряная башня открыта на стороне, противоположной господствующим ветрам, это создает перепад давления с одной стороны здания и приводит к тому, что воздух движется вниз по другой стороне вдоль кяриза. Горячий воздух, поступающий с улицы, охлаждается водой, текущей по кяризу, а затем поступает обратно через ветроуловители, охлаждая здание. Более простые конструкции использовались в Египте для охлаждения домов. Были найдены глиняные модели домов с ветроловами, датируемые 1100 г. до н. э.

Ветролов на традиционном персидском здании. Форточки делаются со всех сторон, их можно открывать и закрывать, ловя ветер

Парфенон

Храм Парфенон, стоящий на афинском Акрополе, был построен между 447 и 432 гг. до н. э. и до сих пор возвышается над городом. Площадь холма Акрополя около 3 га, он вздымается над городом на высоту 150 м.

Парфенон был воздвигнут во время реконструкции Акрополя после нападения персов в 480 г. до н. э. Согласно сохранившимся частям счетов на строительство Парфенона ушло, по разным оценкам, от 340 до 800 серебряных талантов — это огромная сумма, учитывая, что жалованье экипажа триремы за месяц могло составлять один талант. При строительстве Парфенона были использованы сложные архитектурные приемы, в том числе легкий наклон колонн внутрь, чтобы издалека они казались идеально прямыми. Архитектор знал, что прямые линии при взгляде с определенного расстояния выглядят слегка наклоненными внутрь.

Парфенон — одно из самых известных древних зданий в мире. Он был спроектирован греческим художником Фидием

Золотое сечение

Соотношение высоты и ширины переднего фасада Парфено-на составляет 1: 1,618 и известно как золотое сечение. (Число 1,618 было названо «фи» по имени Фидия, идейного вдохновителя создания Парфенона.) Прямоугольник с таким соотношением сторон обладает удивительными свойствами: например, если его разбить на квадрат и меньший прямоугольник, то стороны получившегося прямоугольника также образуют золотое сечение.

Водяное колесо

Водяное колесо, вращаемое речным потоком и предназначенное для подъема воды, впервые использовалось в Египте в IV в. до н. э. Спустя два века греческие и римские инженеры усовершенствовали водяное колесо, чтобы извлекать энергию для других машин.

Вращение водяного колеса сообщается оси, которая также вращается. Это движение можно передавать простым механизмам, в древности это чаще всего были мельницы, а позже — насосы и прядильные машины.

Существуют две основные конструкции водяного колеса: горизонтальная и вертикальная. Горизонтальное водяное колесо состоит из вертикальной оси и лопастей, прикрепленных к ее нижней части. Сверху надевался жернов. Это не очень эффективный механизм — всего около 15–30 % кинетической энергии водного потока преобразовывается в полезную энергию. Для работы такого колеса не нужен большой объем воды, но необходима большая скорость потока. Горизонтальные водяные колеса подходят для тех мест, где есть крутые склоны с быстрой проточной водой, например горные потоки.

Жернова

Начиная примерно с 4000 г. до н. э. люди использовали плоские камни для размалывания зерен в муку. Около 500–400 гг. до н. э. люди стали запрягать быков и ослов для вращения жерновов. Следующим шагом стало использование водяного колеса для вращения жернова — при этом сила течения стала выполнять работу, которую раньше делали люди и животные.

Ступальное колесо

Римляне придумали много нового, однако они оказались не столь изобретательными, какими могли бы быть. Одной из причин этого было использование труда рабов как источника энергии. Римляне придумали кран, который мог поднимать грузы весом более 3 т и приводился в движение рабами, карабкавшимися внутри круглой беговой дорожки, похожей на гигантское беличье колесо. Водяные колеса, основанные на труде рабов, использовались также для удаления воды из шахт. В эпоху рабства в Америке обычным источником энергии были ступальные колеса, которые вращали рабы, а в Европе в них посменно работали узники тюрем.

Сверху и снизу

Среди вертикальных водных колес выделяют два основных типа: подливное (нижнебойное) и наливное (верхнебойное). В подливном колесе нижняя его часть погружена в поток, который бьет прямо по перекладинам. Это несколько более эффективный способ вращения, чем горизонтальное колесо, потому что в воду погружена только часть колеса, что уменьшает силу сопротивления, замедляющую вращение.

В наливном колесе делается желоб, который направляет воду так, чтобы она падала на лопасти в верхней части колеса, тем самым приводя его в движение. Этот вид водяного колеса намного эффективнее нижнебойного, его эффективность достигает 60 %.

Подъем воды

Нория — черпаковый подъемник, который используется для полива, а не как двигатель для механической работы. Лопасти колеса используют энергию воды, чтобы поворачивать его, а отдельные черпаки наполняются водой при каждом повороте. В верхней точке колеса вода выливается из черпаков в канал или акведук, откуда течет в нужном направлении. Во II в. до н. э. использовались колеса с деревянными черпаками, но в III в. н. э. римляне ввели керамические черпаки. Нории до сих пор используются в Сирии.

Неиспользуемое деревянное наливное колесо с деревянным желобом над ним, по которому вода лилась на лопасти колеса

Пон-дю-Гар

Пон-дю-Гар — один из наиболее ярких примеров римской инженерной мысли. Этот трехъярусный акведук был построен в 19 г. до н. э., по нему вода протекала над рекой Гар на юге Франции и попадала в город Ним.

Пон-дю-Гар — это самый высокий римский акведук (49 м), сохранившийся до наших дней. Еще удивительнее, что он был построен без использования цемента. Вот уже 1600 лет по нему не течет вода, но он используется как мост через реку. Первым римским водопроводом был 16-километровый акведук Аква Аппия, построенный в 312 г. до н. э., по нему вода доставлялась в Рим. С ростом империи было построено множество акведуков, особенно в первые века нашей эры. Одна из инноваций — дюкер — позволяла перегонять воду через овраги. Это были глиняные или свинцовые трубы, в которых сила тяжести создавала дополнительное давление на участке спуска, обеспечивая силу, достаточную для того, чтобы загнать воду на противоположную сторону.

Высота акведука — 49 м от поверхности реки. Его нижний ярус состоит из шести арок шириной от 15 до 24 м, причем самая широкая арка перекинута через реку. Второй ярус акведука составлен из одиннадцати арок одинакового размера, а третий ярус, по которому текла вода, поделен на 35 небольших арок шириной по 4,5 м

Простые механизмы

Простые механизмы позволяют облегчить выполнение той или иной задачи. Каждый такой механизм, независимо от сложности, можно рассматривать как совокупность более простых устройств, использовавшихся людьми еще на заре цивилизации. Простой механизм перенаправляет силу из одного места в другое: сила, прикладываемая к одной части машины, — усилие, заставляет двигаться другую ее часть, которая преодолевает силы сопротивления, или нагрузку. Направление силы может быть изменено, ее значение можно увеличить или уменьшить. Герон Александрийский, греческий инженер, живший в I в. н. э., описал шесть простых машин. Это рычаг, винт, наклонная плоскость, клин, ворот (колесо с осью) и блок.

Рычаг — это увеличитель силы. В самом простом его варианте при приложении малой силы к длинному концу рычага, который поворачивается вокруг зафиксированной точки (точки опоры), можно произвести большее усилие на более коротком его конце. В повседневной жизни можно найти огромное число примеров рычага, например рычагами являются тачка, гвоздодер, ножницы.

Благодаря наклонной плоскости (уклону, пандусу) проще поднять тяжелый предмет: он проходит большее расстояние, чем при вертикальном подъеме, но затрачивается меньшая сила.

Древнегреческий гениальный инженер Архимед известен своим описанием рычага: «Дайте мне точку опоры, и я сдвину Землю». Но он также создал винт Архимеда — машину, которая поднимает воду при вращении

Клин переносит силу, прикладываемую к широкому его концу, на узкий (острый) конец. Этой перемещенной силы достаточно, чтобы расколоть материал

Блок — это веревка, обвитая вокруг одного или нескольких колес. Простейший блок перенаправляет силу, приложенную к веревке, но дополнительные колеса увеличивают силу, что облегчает подъем грузов

Рычаг (наверху) — это жесткая перекладина, которая вращается вокруг точки опоры. На рисунке массы компенсируются, так что перекладина находится в равновесии

Наклонная плоскость используется для подъема тяжестей, заменяя короткое вертикальное движение длинным перемещением по наклонной плоскости

Ворот преобразует прямолинейно прикладываемую силу во вращательное движение, и наоборот. Поворачивающаяся ось накручивает веревку и поднимает ведро наверх

Винт — это наклонная плоскость, обернутая вокруг оси. Усилие прикладывается к оси, поворачивая ее, и плоскость перемещает груз вверх

Клин — это еще одна форма наклонной плоскости. Тонкий конец клина давит на предмет с большей силой, чем требуется для приведения клина в движение. В результате клин рассекает предмет. Все ножи и топоры действуют как клинья.

Винт — это тоже наклонная плоскость, но закрученная вокруг центральной оси. При прокручивании винта наклонная плоскость — нарезка винта — двигается вперед и назад. Чтобы вкрутить винт, требуется меньше усилий, чем при вталкивании его без завинчивания (как клин).

Ворот (колесо и ось) работает как вращающийся рычаг. Диаметр колеса больше диаметра оси, поэтому небольшое усилие, приложенное к колесу, поворачивает его на большое расстояние, и в результате большая нагрузка, приложенная к оси, перемещается на небольшое расстояние. Так работает лебедка. Усилие, используемое для вращения оси, позволяет колесу покрыть довольно большое расстояние — принцип, который используется в автомобилях.

Блок — это веревка, обернутая вокруг колеса. Неподвижный одноколесный блок лишь перенаправляет силу. В составном блоке нагрузка делится между двумя или более колесами, поэтому небольшое усилие позволяет поднять довольно большой груз, но чтобы переместить груз на небольшое расстояние, придется вытянуть длинный кусок веревки.

Римский подъемный кран

Римский подъемный кран — это система блоков, использующая для подъема тяжестей силу рабов. Самый большой такой кран, называвшийся полиспаст, имел впечатляющую грузоподъемность. С его помощью 53-тонные блоки, из которых собрана колонна Траяна в Риме, были подняты на высоту 34 м. Движущей силой, протаскивавшей веревку через блоки, были ступальные колеса, внутри которых двигались рабы.

Пантеон

Римский Пантеон был самым крупным купольным сооружением в мире на протяжении более 1300 лет. В наши дни у него крупнейший неармированный монолитный бетонный купол.

Здание, которое стоит сегодня, было построено около 125 г. по приказу императора Адриана. Бетон, использовавшийся при строительстве Пантеона, состоял из пуццолана (смесь вулканического пепла, туфа и пемзы), извести и небольшого количества воды. Бетон — римское изобретение. Греки, скорее всего, использовали известковые растворы, но именно римлянам принадлежит идея соединить раствор с наполнителем — кусками пород. Пока эта смесь влажная, ей можно придать любую форму, но после высыхания она становится прочной, как камень.

Инженеры уменьшили вес купола Пантеона, используя по мере приближения к центру купола все более легкие наполнители. Бетон у основания купола включает тяжелый базальт, а в верхней части — легкую пемзу. В верхнюю часть купола были встроены пустые глиняные кувшины, чтобы еще больше облегчить конструкцию. Купол состоит из круговых ступеней, которые сужаются кверху. Нижние ступени более толстые, по мере приближения к окулюсу (отверстию в центре купола) они становятся тоньше.

Пантеон — одно из самых впечатляющих и хорошо сохранившихся зданий Древнего Рима. Ротонда — массивное здание с куполом — имеет 43,3 м в диаметре и 43,3 м в высоту (причем половина высоты приходится на вертикальные стены). Купол представляет собой идеальную полусферу с окулюсом (круглым отверстием в центре крыши) диаметром 8,8 м. Через «глаз» Пантеона видно небо над головой

Бетон

Придуманный римлянами бетон — универсальный строительный материал. Его изготовляют из наполнителя (песка или камней), скрепленного жидким цементом. Цемент делается из силикатных минералов, которые реагируют с водой и воздухом, затвердевая при высыхании и скрепляя частицы наполнителя.

Бумага

В документах за 105 г. сказано, что Цай Лунь, чиновник Императорского двора, сообщил китайскому императору об изобретении бумаги.

Фактически изобретение, скорее всего, произошло на 200 лет раньше. Фрагменты бумаги, найденные в развалинах Дуньхуан северо-западной китайской провинции Ганьсу, датируются временем правления императора У-ди, т. е. между 140 и 86 гг. до н. э. Вероятно, поначалу бумагу изготавливали, размачивая отходы конопли в воде. Их промывали, снова замачивали и разбивали деревянной колотушкой в кашицу. Получившуюся смесь наливали на сито из грубо сплетенной ткани, натянутой на бамбуковый каркас. На сите образовывался тонкий слой этой кашицы, которую затем оставляли высыхать. В результате получался лист бумаги. Цай Лунь сообщал, что он сделал бумагу, используя кору тутового дерева, отходы конопли, старые тряпки и рыболовные сети.

Это китайское издание буддийской Алмазной сутры, датируемое 886 г., — самая ранняя книга, напечатанная на бумаге. Слова и картинки были вырезаны на бруске, который затем покрывался краской и прижимался к бумаге

Порох

Китайские алхимики, открывшие порох, на самом деле искали способ продлить жизнь. На протяжении веков нитрат калия, или селитра, был частым ингредиентом эликсиров, предназначенных для увеличения продолжительности жизни.

Около 850 г. неизвестный ученый-любитель решил добавить в свою смесь серу и уголь и получил в буквальном смысле взрывное сочетание. По словам современника, «пошел дым и полыхнуло пламя, так что руки и лица были сожжены, и даже весь дом, где они работали, сгорел».

Впервые порох применили в военном деле в зажигательных стрелах, к которым привязывали порох, завернутый в бумагу или бамбук, и поджигали фитиль. Позже были разработаны огневые копья — примитивные огнеметы, а также первые ракеты, напоминающие современные фейерверки. Китай сохранил свою монополию на порох вплоть до XIII в., но в конце концов секрет распространился по арабскому миру, а оттуда попал в Европу, где был с энтузиазмом подхвачен. К 1350 г. английская и французская армии стояли друг против друга, уже вооруженные пушками.

Долгое время открытие пороха ошибочно приписывалось Бертольду Шварцу — легендарному немецкому алхимику XIV в. «Шварц» по-немецки означает «черный», и на протяжении многих веков порох был известен как «черный порошок»

Компас

Компас впервые появился в Китае примерно в IV в. до н. э., но в то время он не использовался как навигационный прибор. Китайцы называли компасы «указателем юга» и использовали для гаданий и чтобы ориентировать свои дома для благоприятного течения жизни.

В этих ранних компасах стрелка делалась из минерала магнетита — природного магнита, названного в честь региона Магнесия в Греции, который был важным центром производства железа. Самое древнее упоминание свойств магнетита относится к 600 г. до н. э., когда греческий философ Фалес заметил, что он притягивает железо.

В китайских рукописях 1040 г. есть упоминания о плавающей по воде «железной рыбе», которая указывает на юг. Также китайцы обнаружили, что железная игла намагничивается, если потереть ее о магнит, и после этого способна указывать на юг.

Китайский гадательный компас использовался для того, чтобы определить наиболее благоприятное место для постройки зданий в соответствии с традиционными верованиями. Его ложкообразный магнит может свободно вращаться по полированной пластине

Указатель пути

Первое упоминание о магнитном компасе в Европе было сделано в Амальфи, Италия, в начале XIV в. Но до сих пор остается открытым вопрос, попал ли компас в Европу по торговым путям из Китая или был открыт европейцами самостоятельно. Как бы то ни было, вскоре он стал невероятно важным прибором для растущих морских держав — Португалии, Англии и Испании. Также компас способствовал росту итальянских городов-государств в XIV в. До этого моряки, как правило, плавали вдоль берегов, оставаясь в пределах видимости земли, и неохотно рисковали выходить в открытое море. Теперь, когда корабли были оснащены приборами, позволяющими в любое время определить свое положение, стала быстро развиваться средиземноморская, а затем и мировая торговля.

Уильям Гильберт

Книга Уильяма Гильберта «De Magnete» («О магнитах», 1600 г.) содержала отчет о его исследованиях магнетизма и вскоре стала основным трудом по этому вопросу. Он первым начал использовать термины «электрическое притяжение», «электрическая сила», «магнитный полюс». На основании опытов Гильберт пришел к выводу, что компас указывает направление на север и юг, потому что сама Земля является магнитом.

Галеон

До XV в. большинство кораблей строилось похожими на судна викингов, с прочными корпусами и одной мачтой. Потом появились корабли более быстрые и крупные, самыми совершенными из которых стали галеоны.

Корабль, построенный в подражание ладьям викингов, называется когг. Он достаточно устойчив в бурном море, но маленький и медленный. В XV в. испанские судостроители придумали карраку. В отличие от обшивки когга, выполнявшейся внакрой, у карраки была гладкая обшивка корпуса, выполненная из уложенных встык досок. Кроме того, у кар-раки была установлена дополнительная мачта с парусами. Карраки были еще медленными и громоздкими, поэтому португальцы усовершенствовали ее конструкцию, создав каравеллы обтекаемой формы, на которых использовали треугольные латинские паруса. Эти корабли, оснащенные компасами, могли уходить далеко от Европы, в том числе в Америку. Увеличился риск сражений, поэтому стали строить большие корабли, способные перевозить больше груза и оружия. Эти массивные военные судна назывались галеонами (исп. «большие корабли»). Как и триремы в Древней Греции, галеоны были главной боевой единицей на море и оставались ею до появления броненосцев в XIX в.

На галеоне, как и на более ранних кораблях, имелись надстройки или приподнятые палубы на носу и корме, дававшие морякам преимущество во время сражений. В 1570 г. английский кораблестроитель Джон Хокинс понял, что передняя надстройка тормозит движение корабля по ветру, поэтому разработал обтекаемую конструкцию с меньшей надстройкой над носовой частью

Руль

С XIV в. все новые корабли были оснащены рулем. Руль придумали еще за тысячу лет до этого, однако большинство кораблей в те годы управлялось веслом, закрепленным на правом борту (поэтому его стали называть «штирборт», т. е. «управляющий» борт). Чтобы не сломать весло, корабль подходил к причалу левом бортом, который стал называться причальным.

Великая китайская стена

Великая Китайская стена, или «Стена длиной в 10 000 ли», несомненно, является одним из инженерных чудес света и одним из крупнейших когда-либо осуществлявшихся строительных проектов.

Строившаяся в течение 2000 лет Великая Китайская стена тянется через весь Северный Китай и на самом деле состоит из множества стен. Около VII в. до н. э. в царстве Чу начались работы по строительству Квадратной стены — укрепления на севере столичной провинции. С VI по IV в. до н. э. другие государства строили свои оборонительные сооружения. Например, царство Ци построило на границе протяженную стену из земли и камня, заканчивающуюся у Желтого моря, в которую вписались горные террасы и уже существующие речные дамбы, а также построенные до этого укрепления. Чтобы защититься от нападения с севера и юга, царство Янь построило две оборонительные стены — Северную стену и стену Ишуй. Северная стена была последним участком Великой стены, возведенным в период Воюющих царств.

Великая Китайская стена в ее нынешнем виде была построена для того, чтобы не пустить в страну захватчиков из Монголии, которые неоднократно угрожали Китаю и прочим государствам Азии

Видимая из космоса

Один из крупнейших мифов космической эры гласит, что Великую стену можно увидеть из космоса. Эта идея появилась еще в 1754 г., когда один английский ученый заявил, что ее можно даже увидеть с Луны! Но космические путешественники не смогли увидеть стену невооруженным глазом. В 2003 г. первый китайский космонавт Ян Ливэй отправился в космос и подтвердил своему народу, что он не смог увидеть оттуда это сооружение.

Оборона Севера

В 221 г. до н. э. Шихуанди, первый император династии Цинь, завершил объединение Китая. Он приказал снести укрепления между воевавшими провинциями. В то же время он начал работу по объединению существовавших отдельных стен на севере, чтобы сформировать «стену длиной 10 000 ли» (ли — около 488 м). На строительстве работали сотни тысяч солдат в течение десяти лет.

Восточный конец Великой стены заканчивается у моря фортом, который называют Головой старого дракона

Вал Адриана

Вал Адриана — один из величайших инженерных проектов Древнего Рима — был построен для защиты окраин, в то время располагавшихся на территории Северной Англии. Работы над 118-километровой стеной начались в 122 г. по приказу императора Адриана и длились шесть лет. На равных промежутках были возведены укрепления высотой 6 м. В дополнение к стене был выкопан оборонительный ров. Бо́льшая часть стены стоит до сих пор, что свидетельствует о мощи римской инженерной мысли.

Укрепление

После смерти Шихуанди стена была заброшена, но во II в. до н. э. ее снова начали укреплять, чтобы обороняться от народов, живших к северу от Китая. С этого времени Великая стена стала играть важную роль в развитии и упрочении торгового Великого шелкового пути. В 121 г. до н. э. начались работы по созданию стены Хэси, строительство продолжалось 20 лет. В XIV–XVI вв. императоры династии Мин занимались укреплением Великой стены, чтобы противостоять возможному нашествию монголов. Бо́льшая часть стены, сохранившаяся до наших дней, была построена в конце XV в. Стена была разделена на южный и северный участки, которые также называют внутренним и наружным.

Проходы и крепости

Высота стены — от 7 до 8 м, ее ширина варьировалась от 5,8 м наверху до 6,5 м у основания. Низкий парапет вдоль замощенной верхней площадки предотвращал случайное падение вниз. Через равные расстояния имелись ворота. Сторожевые башни над ними служили командными пунктами и имели высоту около 10 м и ширину около 4 м. Ворота закрывались гигантскими двойными деревянными дверями. От атаки их защищали дополнительные средства обороны — парапеты и рвы.

В разных регионах страны стена строилась по-разному, учитывая природные особенности местности. Этот участок стены расположен недалеко от Пекина, китайской столицы, и построен из кирпича. Для других участков использовали камень и скальную породу, а западная часть стены, которая проходит по пустыне, сделана из утрамбованной земли, забитой между деревянными досками

Подводная лодка

Подводная лодка играет важнейшую роль в войне на море со времен Первой мировой войны, но первые успешные подводные экспедиции произошли на 300 лет раньше.

В 1578 г. британский математик Уильям Боурн выдвинул идею лодки, которая может опуститься под воду и плыть там. Она была бы сделана из водостойкой кожи, натянутой на деревянную раму, и погружалась бы в воду с помощью храповиков, которые втягивали бы ее бока, уменьшая объем. Боурн так никогда и не построил подводную лодку, поэтому ее создателем считается голландский изобретатель Корнелиус ван Дреббель. Подводная лодка Дреббеля была похожа на то, что предложил Боурн: ее наружный корпус был сделан из смазанной маслом кожи, натянутой на деревянную раму. Весла выступали наружу через плотно пригнанные кожаные мешки, обеспечивая передвижение лодки под водой. В 1620 г. Дреббель успешно провел свою подлодку по Темзе в Лондоне на глубине 4–5 м.

Копия подводной лодки Дреббеля. Есть сведения, что Дреббель получал воздух для дыхания за счет химических реакций. По другой версии, воздух подавался по трубкам, выступающим над поверхностью воды

Водолазный колокол

Еще Аристотель писал о водолазных колоколах для прогулок под водой. Считается, что его ученик Александр Македонский прошел с таким колоколом по дну (на рисунке). Внутри колокола остается воздух, что позволяет человеку дышать под водой. В 1689 г. Дени Папен прикрепил к колоколу воздуходувные мехи, которые пополняли запас воздуха в колоколе. Через год Эдмунд Галлей выяснил, как создавать давление воздуха, позволяющее погружаться в колоколе на большую глубину.

Подводное оружие

Впервые подводная лодка приняла участие в войне во время американской революции. «Черепаха» Дэвида Бушнелла имела форму ореха и была построена из дерева, армированного железными полосами. Лодка была рассчитана на одного человека и приводилась в движение под водой пропеллерами с ручным приводом. Планировалось, что «Черепаха» подойдет под водой к британскому военному кораблю и прикрепит к нему пороховой заряд, но ни один выход подлодки не был успешным.

«Наутилус» Фултона

В 1800 г., работая во Франции, американский изобретатель Роберт Фултон построил подводную лодку «Наутилус» на средства, выделенные Наполеоном Бонапартом. Работа была завершена в мае 1801 г. В «Наутилусе» было достаточно воздуха, чтобы на нем могли находиться четыре человека в течение трех часов. Погружалась лодка за счет наполнения водой балластных цистерн. Два горизонтальных плавника контролировали глубину погружения, а наблюдательный купол позволял морякам видеть, куда они плывут. «Наутилус» был предназначен для того, чтобы прикреплять взрывное устройство к корпусу вражеского корабля, и Фултон успешно потопил пришвартованное судно, но его подлодка не могла догнать британские военные корабли, поэтому Франция потеряла к ней интерес. В США Фултон получил поддержку конгресса и предложение построить большой паровой корабль, но умер, не успев завершить строительство, и эта работа была заброшена.

Подводная лодка Фултона была изготовлена из медных листов. На поверхности воды она двигалась за счет разборной мачты и паруса, а под водой использовался винт, проворачиваемый вручную

Перископ

Подводники часто используют перископ, чтобы видеть, что происходит над водой. В нем свет проходит сквозь два зеркала или призмы, что позволяет наблюдателю увидеть то, что не находится в его прямой видимости. Создатель перископа неизвестен, но говорят, что Иоганн Гутенберг, изобретатель техники книгопечатания, продал перископ паломникам на религиозном празднике в 1430-х гг.

Вакуумный насос

В 1650 г. физик и инженер Отто фон Герике изобрел первый вакуумный насос. С его помощью он продемонстрировал огромную силу, оказываемую весом атмосферного воздуха.

Несколькими годами ранее в ходе экспериментов фон Герике попробовал создать вакуум с помощью всасывающего насоса, пытаясь удалить воду из плотно закрытой деревянной бочки. Неудивительно, что по мере откачивания воды в бочонок начал поступать воздух. Тогда фон Герике стал использовать металлические контейнеры и добился успеха. В результате экспериментов он пришел к выводу, что сферическая форма сосуда лучше всего выдерживает разницу давлений, созданную насосом. Также фон Герике продемонстрировал, что свет может проходить сквозь вакуум, а звук — нет. Но более всего известны его опыты в Магдебурге в 1654 г., в ходе которых два медных полушария диаметром около 36 см были сложены вместе и из получившегося шара был выкачан воздух. Две упряжки лошадей тянули полушария в разные стороны, но им не удалось растащить их, хотя вокруг полушарий был только воздух, удерживающий полусферы вместе. Это стало впечатляющей демонстрацией огромной силы атмосферного давления.

Фон Герике получил вакуум, откачивая воздух непосредственно из сосуда, не наполняя его заранее водой

Часы с маятником

Известна история о том, как Галилео Галилей наблюдал в Пизанском соборе за подвешенным канделябром. Он засекал время и обнаружил, что каким бы широким ни был размах движения канделябра, он всегда занимал одно и то же время.

Открытие Галилея заключалось в том, что время качания (период колебания) определяется только длиной маятника: его вес и величина отклонения (амплитуда) не влияют на время, но у маятников одинаковой длины колебания будут занимать одинаковое время. Позже Галилей описал, как можно использовать маятник для изготовления часов, и даже подготовил проект, хотя никогда не сделал ни одних часов. Позднее голландский ученый Христиан Гюйгенс показал, что наблюдения Галилея справедливы только для колебаний с малой амплитудой. Гюйгенс был астрономом и интересовался точностью измерения времени. Вдохновленный исследованиями движения маятников, в 1656 г. он изобрел первые работающие часы с маятником. Гюйгенс сумел сделать период колебания маятника постоянным, придумав особый стержень, благодаря которому массивный маятник качался по циклоиде, а не по кругу. Циклоида — это плоская кривая, описываемая точкой на окружности, которая двигается по прямой линии.

Христиан Гюйгенс восхищается маятниковыми часами. В его часах впервые использовались колебания для подсчета времени. В большинстве современных часов также применяется колебательное движение, например цифровые часы основаны на колебаниях кристаллов кварца

Паровой двигатель

Паровой двигатель стал источником энергии, питавшим промышленную революцию, он стимулировал значительный прогресс в производстве, транспорте и сельском хозяйстве, что в корне изменило облик мира.

Первые паровые двигатели были разработаны с практической целью решить проблему наводнения в шахтах. В 1698 г. английский инженер Томас Севери запатентовал машину, которая использовала давление пара для откачки воды из затопленных шахт. Севери изучил открытия Дени Папена, изобретателя скороварки. У Папена были идеи создания парового двигателя с использованием цилиндра и поршня, вдохновленные наблюдением за своей скороваркой, но они не реализовались на практике.

Машина Севери состояла из котла, заполненного водой резервуара и нескольких клапанов. Пар подавался в резервуар, выталкивая воду через клапаны до тех пор, пока резервуар не пустел. Затем охлаждающаяся вода распылялась по резервуару, вызывая конденсацию пара внутри и создавая вакуум, который втягивал больше воды через второй клапан. Медленно и не всегда надежно (чугунные детали часто трескались) вода поднималась из затопленной шахты. У этой машины существовал предел высоты подъема воды.

Паровой двигатель Севери назывался «друг шахтера, или двигатель для подъема воды огнем»

Первый паровой двигатель?

Эолипил, изобретенный Героном Александрийским в I в., пожалуй, можно считать первой паровой турбиной, преобразующей энергию пара в движение. Это была полая сфера с парой трубок, по которым поступал пар из расположенного снизу котла. Еще две изогнутые трубки выступали сверху и снизу сферы на ее вертикальной оси. Когда пар вырвался наружу, возникающие при этом силы заставляли сферу вращаться.

Появление Ньюкомена

В 1711 г. Томас Ньюкомен разработал устройство с применением обновленного парового двигателя. Паровой насос Ньюкомена состоял из цилиндра с поршнем и противовеса — новая конструкция, вдохновленная идеями Папена. Когда цилиндр заполнялся паром, противовес опускался, перемещая поршень в крайнее верхнее положение. Далее, как и в двигателе Севери, использовалась охлаждающая жидкость для конденсации пара в цилиндре и создания вакуума. Атмосферное давление опускало поршень, вдавливая его обратно в цилиндр. Противовес поднимался, совершая рабочий ход.

В 1712 г. Ньюкомен построил первый поршневый паровой насос для английской компании Conygree Coalworks. «Атмосферный» двигатель Ньюкомена имел свои недостатки, одним из которых была низкая эффективность — он преобразовывал всего около 1 % тепловой энергии пара в механическую энергию. Тем не менее в течение 50 лет он считался лучшим двигателем.

Двигатель Уатта

В 1765 г. шотландский инженер Джеймс Уатт модифицировал двигатель Ньюкомена, добавив отдельный конденсатор, который сделал ненужным охлаждение цилиндра после нагрева. Во время работы двигателя цилиндр и поршень сохраняли температуру пара, что сократило расходы топлива примерно на 75 %. Кроме того, Уатт добился увеличения мощности за счет использования пара с обеих сторон поршня.

Вращательная машина Уатта позволила использовать паровой двигатель в качестве источника энергии для разных механизмов на заводах и ткацких фабриках. Вращательная машина имела широкое распространение — было подсчитано, что к 1800 г. Уатт и его деловой партнер Мэттью Болтон построили 500 двигателей, большинство из которых относилось именно к этому типу.

Революционным открытием Уатта была система передач, преобразовывавшая поступательное движение поршня в круговое. Тяжелый маховик сглаживал колебания силы, подаваемой на вал двигателя посредством действия поршня в цилиндре, а регулятор, подключенный к маховику, управлял потоком пара, направляемым в двигатель

Сеялка

До XVIII в. фермеры сеяли семена вразброс — они шли по полю, случайным образом бросая семена пригоршнями на распаханные земли. Это было довольно расточительно, поскольку некоторые семена росли слишком близко, мешая друг другу, а другие вообще не всходили.

Агроном Джетро Талл решил изменить ситуацию и в 1701 г. разработал конную механическую сеялку — так назывался способ создания ямки для семени. В сеялке Талла имелся ящик, куда насыпались семена, падавшие затем на вращающийся цилиндр с желобками, по которым семена падали в расположенную ниже воронку. В результате семена отправлялись в борозду, вырытую плугом, расположенным на передней части сеялки, и сразу же прикрывались землей с помощью бороны, прикрепленной к задней части. Равномерная посадка семян на одинаковую глубину и по прямой линии сокращала потери. Это резко увеличило урожайность и облегчило сбор урожая.

Сеялка Талла позволила фермерам сеять три ряда семян одновременно

Воздушный шар

Воздушные шары были первым средством, с помощью которого человек поднялся в небо. Эпоха воздухоплавания началась в 1783 г.

Принцип плавучести был известен еще с III в. до н. э., когда его описал Архимед. Любой предмет, помещенный в жидкую или газообразную среду, выталкивается вверх силой, равной весу среды, вытесненной этим предметом. Если воздушный шар сделать легче воздуха, он будет выталкиваться вверх и взлетит. Один из способов сделать это — нагреть воздух внутри воздушного шара, сделав его менее плотным (то есть уменьшить его вес), чем воздух вокруг него. Другой метод — заполнить оболочку шара газом «легче воздуха», например водородом или гелием.

Заметив, что нагретый воздух заставил бумажный мешок подниматься, французские бумажные фабриканты Жозеф-Мишель и Жак-Этьенн Монгольфье начали экспериментировать с устройствами легче воздуха. Они сделали большой воздушный шар диаметром 10 м и 4 июня 1783 г. подняли его на высоту 1980 м. Затем Монгольфье решили посадить в корзину шара и отправить в небо овцу, утку и петуха. Этот выбор не был случайным: утка считалась существом, не подверженным воздействию высоты, петух — это птица, хотя и неспособная летать так высоко, а овца заменила человека. Все трое отлично перенесли восьмиминутный полет, за которым наблюдала толпа из 130 000 человек, в том числе и французский король. Следующим шагом было отправление в небо человека, и 15 октября Жан-Франсуа Пилатр де Розье поднялся на воздушном шаре Монгольфье, став первым человеком, совершившим воздушный полет.

В 1783 г. произошли первые полеты воздушных шаров и на горячем воздухе, и на водороде. Шары обоих типов были запущены во Франции, хотя и не единовременно и не с одного места, как показано на этом рисунке. Горячий воздух, использовавшийся в воздушных шарах, весит около 4/5 от веса холодного воздуха, тогда как водород в 14 раз легче обычного воздуха

Воздушный шар с водородом

В декабре 1783 г. француз Жак Александр Сезар Шарль и его компаньон поднялись в воздух на воздушном шаре, заполненном водородом, пролетевшим дальше и поднявшимся выше, чем шар братьев Монгольфье, который они продемонстрировали в том же году. На самом деле Шарль запустил свой первый воздушный шар на водороде еще в августе, однако когда тот приземлился, его атаковали перепуганные крестьяне, которые приняли его за чудовище, напавшее на них с неба.

Гидравлика

Первый гидравлический пресс запатентовал английский слесарь и изобретатель Джозеф Брама в 1795 г. Все гидравлическое оборудование, от землеройной машины до роботизированной руки, работает по одному принципу.

Пресс Брамы состоял из двух цилиндров и поршней с головками для различных видов деятельности. Как и рычаг, гидравлический пресс действует для увеличения силы воздействия. Силы, действующие на поршни, пропорциональны площадям поверхностей, поэтому сила, приложенная к малому поршню, преобразуется в большую силу на большом поршне. Расстояние, на которое перемещается малый поршень под воздействием внешней силы, больше того, которое проходит большой поршень, причем соотношение у расстояний такое же, как и у сил. Поэтому если удвоить силу, то большой поршень пройдет в два раза меньше, чем малый. Это позволило создавать с помощью гидравлики огромную силу. Например, если второй поршень в сто раз больше первого, сила умножается в сто раз. Но, конечно, в этом случае путь, который проходит второй поршень, в сто раз меньше того, который проходит первый.

Гидравлический пресс использует принцип Паскаля, который гласит, что если применить силу к жидкости, находящейся в закрытом сосуде, то эта сила будет передаваться на каждую часть жидкости. Таким образом, нажатие на рычаг приводит к тому, что жидкость проходит по системе и нажимает на поршень

Промышленная революция

В начале XVIII в. начались фундаментальные изменения в жизни общества, сначала в Великобритании, а позже и по всему миру. Сельские общины стали преобразовываться сначала в городские, а позднее в индустриальные сообщества.

Основной движущей силой промышленной революции был рост текстильной промышленности. Ранее купцы поставляли сырье и основное оборудование людям, работавшим в своих домах (кустарное производство), а потом собирали готовую продукцию. Это был весьма неэффективный способ работы. В 1700-х гг. ряд инноваций привел к возрастанию производительности в текстильном производстве, при этом уменьшилось участие человека. Около 1764 г. англичанин Джеймс Харгрэйвс изобрел прядильную машину «Дженни» (уменьшит. от англ. engine — «двигатель»). Она позволяла одному человеку производить одновременно несколько катушек ниток. Затем последовали другие изобретения, например ткацкий станок, который был разработан Эдмундом Картрайтом в 1780-х гг. и механизировал ткацкое производство. Подобные устройства, требующие меньшей рабочей силы, было разумно использовать в больших количествах на специально построенных мануфактурах или фабриках.

В 1790-х гг. американский инженер Оливер Эванс разработал автоматизированную мельницу. Такие мельницы спонсировало правительство США, потому что после обретения независимости прекратились поставки муки и нужно было повысить качество муки, производимой в Соединенных Штатах

Источник энергии

Одной из причин промышленной революции в Британии стало большое количество угля в этой стране. Добыча угля здесь выросла с 5 млн т в 1750 г. до 50 млн т в 1850 г. Уголь позволяет вырабатывать пар, пар способствует увеличению добычи угля. Паровые двигатели насосов позволили делать шахты намного глубже. Тем не менее технологии не слишком сильно улучшили жизнь шахтеров, были распространены несчастные случаи. Часто вместе со взрослыми мужчинами в шахты спускались мальчики.

Плавка металла

Все больше использовались сталь и пар. Пар помогал в шахтах, поставляющих уголь для печей, в которых выплавляли железо. Железо и сталь были важнейшими компонентами при создании новых машин. В начале XVIII в. Абрахам Дерби нашел более дешевый и простой способ получения чугуна с использованием в качестве топлива для печей кокса, а не угля. В 1850-е гг. Генри Бессемер разработал недорогой процесс массового производства стали. Пар и сталь вместе использовались на паровозах и кораблях, перевозивших товары.

Металлургический завод в Восточной Германии начал работу в 1868 г. и был одним из первых в этой стране. В последней четверти XIX в. промышленность Германии начала очень быстро развиваться

Луддиты

Сегодня людей, которым не нравится развитие технологий, называют «луддитами». Это название происходит от имени Неда Лудда — мифической фигуры, человека, который якобы первым начал рабочее движение в Англии XIX в., активисты которого разбивали ткацкие машины, если их требования по улучшению условий работы не выполнялись. Беспорядки происходили время от времени в течение многих лет, пока суровые репрессии со стороны правительства, включая казни и изгнание из страны, не свели их на нет.

Дороги и рельсы

Перевозка товаров была еще одной сферой жизни, которая претерпела изменения во время промышленной революции. До того, как начали активно использовать энергию пара, сырье и готовые изделия перевозили на повозках по дорогам, которые часто были в плохом состоянии, по рекам и каналам, а затем на парусниках из одной страны в другую. В 1803 г. британский инженер Ричард Тревитик построил первый паровоз, двигавшийся по железной дороге. В 1830 г. между Ливерпулем и Манчестером открылась первая железная дорога, по которой регулярно ходили пассажирские поезда и использовались паровозы, а к 1850 г. длина железнодорожных путей в Британии достигала 10 140 км. В 1820-х гг. шотландский инженер Джон Макадам разработал технологию строительства дорог — дороги покрывались гравием, что делало их более гладкими и прочными.

Распространение по миру

Индустриализация имела и недостатки. Умелых ремесленников все больше заменяли машины, и рабочие переезжали из сельской местности в городские рабочие районы, которые выросли вокруг заводов. Это жилье было плохим и перенаселенным. В 1760–1830 гг. промышленная революция была в основном британским феноменом. Пытаясь сохранить преимущество, Британия заблокировала экспорт оборудования и выезд квалифицированных рабочих в другие страны. Но англичане, желавшие заработать за рубежом, нашли способы подороже продать свои знания. Вильям и Джон Кокерил начали торговать производственными механизмами в Бельгии, которая стала следующей индустриальной страной, развивая металлургию, угольную и текстильную промышленности. Франция отставала из-за революции, но к середине XIX в. и она стала развитой индустриальной державой. Германия, несмотря на богатейшие запасы природных ресурсов, начала использовать свой потенциал только после объединения в единое государство в 1870 г. Америка, расположенная на другой стороне Атлантики, в начале XX в. начала опережать Европу по индустриальному развитию.

Чугунный мост, построенный через реку Северн в графстве Шропшир, Англия, в 1779 г., был первым металлическим мостом в мире. Рядом сейчас находится село, носящее название Айронбридж («Железный мост»)

Электрический мотор

В 1821 г. английский ученый Майкл Фарадей изобрел одно из самых популярных устройств в современном мире — электродвигатель. Его изобретение было основано на открытиях в новой области физики — электромагнетизме.

В 1800 г. Алессандро Вольта изобрел гальванический элемент, надежный источник электроэнергии; в течение многих недель ученые использовали его в различных экспериментах. Впервые мысль о том, что электричество может питать движение, возникла в 1820 г., когда датский ученый Ханс Кристиан Эрстед заметил, что стрелка компаса, оставленного рядом с проводом, по которому тек электрический ток, сдвинулась: электричество приводило к возникновению магнитных эффектов.

Электромагнитная индукция

В 1821 г. Майкл Фарадей продемонстрировал, как подвешенный провод с током будет вращаться вокруг магнита. Это был первый электрический мотор, правда, еще не способный передавать свое движение механизмам. В 1831 г. Фарадей и Джозеф Генри, работавший в Америке независимо от Фарадея, обнаружили, что открытие Эрстеда работает и в обратном порядке: не только ток приводит к возникновению магнетизма, но и движение магнита вырабатывает электрический ток. Это был принцип электромагнитной индукции, легший в основу изобретения электрического генератора.

Оригинальный электрический двигатель, представленный Майклом Фарадеем в 1821 г

Первый электродвигатель, способный на самом деле выполнять какую-то работу, был построен Морицем Германом фон Якоби в 1834 г. в Пруссии. С помощью подковообразного электромагнита он построил электрический двигатель мощностью около 15 ватт. Другой вариант электродвигателя спроектировал кузнец из Вермонта Томас Дэвенпорт в 1834 г., он использовал оборудование, купленное у Джозефа Генри. В 1837 г. он с помощью электродвигателя запускал небольшой автомобиль — возможно, это был первый электромобиль в мире. Дэвенпорт нашел новое применение своим двигателям, в том числе в шелкоткачестве, а также в качестве источника энергии для токарного и печатного станков. Последний он использовал для того, чтобы издавать свою газету The Electro-Magnet and Mechanics Inteligencer.

Saxton Magneto Electric Machine, изобретенная в 1833 г. американцем Джозефом Сакстоном, была одной из первых динамо-машин. Если повернуть ручку, в цепи появляется электрический ток

Очистка воды

Достаточный запас свежей и чистой воды совершенно необходим для здоровья. Люди начали очищать воду более 4000 лет назад, задолго до того, как стало известно о бактериях и других патогенных факторах.

Были найдены труды на санскрите, в которых рекомендовалось кипятить воду и пропускать ее через песок и уголь. Первый общегородской завод по фильтрации воды был спроектирован Робертом Томом в Пейсли, Шотландия, в 1804 г. В нем использовались медленные песчаные фильтры, улавливавшие загрязняющие воду вещества. В 1827 г. Джеймс Симпсон создал конструкцию, аналогичную системе Тома, которая вскоре была реализована в муниципальных станциях водоочистки по всей Англии.

В середине XIX в. в Лондоне из-за большой плотности населения, вынужденного использовать питьевую воду плохого качества, были широко распространены такие болезни, как холера. Было отмечено, что в районах с песочными фильтрами для воды количество заболеваний холерой значительно ниже. На основании этих данных в 1852 г. был принят Закон о снабжении столицы водой (первый закон подобного рода), и вскоре песчаные фильтры установили по всему городу.

Карикатуры высмеивали ужасное состояние «Отца Темзы» и то, как он помолодел после установки водостоков.

В середине XIX в. Лондон фактически перерос свою инфраструктуру. Город производил огромное количество сточных вод, сбрасывавшихся прямо в Темзу, которая стала похожа на открытую канализацию. В жаркое лето 1858 г. произошло «великое лондонское зловоние» — ужасные миазмы достигли парламента, остановив его работу. В результате Джозеф Базэлджет, главный инженер Лондона, создал ряд подземных канализационных каналов, по которым грязная вода направлялась на новые очистные сооружения. Эти канализационные каналы были построены за речными набережными, а берега реки подверглись рекультивации, после чего там были проложены дороги и разбиты скверы.

Водопроводная станция «Челси» в Лондоне была одним из первых сооружений, осуществлявших очистку воды в больших масштабах

Томас Крэппер

Томас Крэппер был весьма успешным производителем смывных туалетов в XIX в., но не он их придумал. Первый смывной туалет был описан еще сэром Джоном Ха-рингтоном в 1596 г. Он состоял из овальной чаши, гидроизолированной с помощью дегтя и смолы. Ее содержимое смывалось с помощью 34 л воды из верхнего резервуара. Харрингтон говорил, что если воды мало, то такой туалет можно использовать 20 раз, прежде чем смыть!

Системы охлаждения

В течение нескольких тысяч лет люди могли охлаждать свою еду только с помощью льда. Но лед был доступен не каждому, к тому же без ледника его нельзя было хранить в течение всего года.

Одно из первых достижений в этой области принадлежит шотландскому химику Уильяму Каллену, который в 1748 г. создал «холодильную машину». Он использовал вакуумный насос, чтобы добиться кипения различных химических реактивов. Это выглядело как высасывание тепла из воздуха, при этом создавался перепад температур, приводивший к замерзанию воды. В 1805 г. американец Оливер Эванс предложил систему охлаждения, в которой использовался тот же эффект: испарялся эфир, который затем снова конденсировался в замкнутой системе. Эванс так и не построил свою машину, позже это сделали другие инженеры. Американец Джейкоб Перкинс получил первый патент на холодильник, но его изобретение было слишком неэффективным и не могло конкурировать с натуральным льдом. В 1851 г. Джеймс Харрисон в Джилонге, Австралия, создал первый практичный холодильник и машину для производства льда.

Ледоделательная машина Джеймса Харрисона оказалась коммерчески успешной, потому что в знойной Австралии мало источников естественного льда

Океанский лайнер

К 1818 г. пароходы на кормовых и боковых гребных колесах курсировали в Средиземном море и по рекам Германии. Страны соревновались в постройке все больших и мощных кораблей, способных пересечь океан.

Сначала паровой двигатель считали лишь резервным источником энергии, главным же оставался парус. В мае 1819 г. корабль «Саванна», оборудованный разборными гребными колесами, впервые пересек Атлантику, пройдя часть пути на паровом двигателе. Путешествие продлилось 633 часа (чуть более 26 дней), паровой двигатель использовался только в течение 80 часов, но его возможности были очевидны. К 1833 г. паровые суда стали ходить до Индии, Южной Африки и Австралии. Крупные судоходные компании соревновались в постройке все более мощных паровых судов, способных быстро пересечь Атлантику. Первая попытка трансатлантического рейса была сделана в 1838 г. пароходом «Сириус» — небольшим лондонским кораблем, перевозившим 40 пассажиров. Судно вышло из Куинстауна, Ирландия, 4 апреля. Четыре дня спустя его более крупный соперник, пароход «Грейт Вестерн», отплыл из Бристоля, Англия. «Сириус» прибыл первым, но команде пришлось сжечь даже мебель после того, как у них закончился уголь, в то время как у «Грейт Вестерн» было достаточно топлива для всего путешествия.

Пароход «Грейт Вестерн» в 1838 г. установил рекорд пересечения Атлантического океана — меньше 14 дней

Инженер, спроектировавший «Грейт Вестерн», Изамбард Кингдом Брюнель, хотел превзойти всех своих соперников. В июле 1839 г. в Бристоле был заложен киль 3270-тонного железного корабля, который позже назвали «Мамонтом». Брюнель решил пойти наперекор привычным представлениям и спроектировал корабль с винтовым приводом — первый крупный корабль такого рода без гребных колес. После завершения строительства корабль, переименованный в «Великобританию», мог принять на борт 360 пассажиров.

Изамбард Кингдом Брюнель, создатель первых трансокеанских пароходов, снят на фоне огромных якорных цепей «Грейт Истерн»

Банановые корабли

В начале XX в. крупные компании, занимавшиеся торговлей фруктами, построили корабли-холодильники для транспортировки скоропортящихся бананов из тропиков в Америку и Европу. На многих из них также имелись роскошные пассажирские номера, что стало началом круизной индустрии. Эти корабли окрашивали в белый цвет, чтобы они отражали солнечные лучи и сохраняли холод для фруктов. До сих пор круизные суда красят в белый цвет!

Больше и лучше

Примерно в то же время начал работать первый корабль Сэмюэля Кунарда «Британия», перевозивший почту через Атлантический океан. Корабль пришвартовался в Галифаксе, Новая Шотландия, 17 июля 1840 г., совершив переход через Атлантику за 11 дней и 4 часа. Корабли судоходной компании Кунарда были быстрыми и надежными, хотя не могли бросить вызов «Великобритании» в отношении комфорта для пассажиров. К 1853 г. «Великобритания», уже оборудованная для размещения 630 пассажиров, ходила между Лондоном и Австралией.

В 1854 г. Брюнель начал работать над пароходом «Грейт Истерн» — передовым кораблем своего времени. Он мог перевезти 4000 пассажиров и достаточно угля, чтобы добраться до Австралии без дозаправки. «Грейт Истерн» был на тот момент самым крупным кораблем в мире. Его длина составляла 211 м, на нем было установлено шесть мачт для парусов, а также гребные колеса и винтовой двигатель. При полной загрузке корабль весил более 30 000 т. Ни одно судно не могло превзойти «Грейт Истерн» до появления суперлайнеров вроде «Лузитании», введенной в эксплуатацию в 1907 г. К сожалению, у корабля имелись определенные технические проблемы, и ему ни разу не удалось полностью реализовать весь свой потенциал. Брюнель умер всего через четыре дня после того, как «Грейт Истерн» был спущен на воду.

Пароход «Лузитания» — самый быстрый корабль своего времени — в доках Нью-Йорка после своего первого плавания в 1907 г

Велосипед

Киркпатрик Макмиллан, кузнец из сельской Шотландии, использовал свои навыки работы с металлом для создания первого велосипеда, на котором он разъезжал по улочкам родного Дамфрисшира. Изобретение не принесло ему ни славы, ни денег.

До 1839 г. самым быстрым способом передвижения была езда на лошади или на самокате, который состоял из деревянного каркаса и двух колес с железными шинами, имел также руль для поворотов и тормоз. Для передвижения нужно было постоянно отталкиваться ногой от земли. Ехать с горки было легко и приятно, перемещение по ровной поверхности становилось тяжелой работой, а в гору легче было подняться пешком.

Макмиллан был практичным молодым человеком. В детстве он видел, как кто-то катается на самокате по деревне, и решил построить его себе сам. Завершив работу, он представил, насколько быстрее мог бы перемещаться, если бы основную работу за него выполняла машина. Макмиллан приступил к работе над революционным проектом и в 1839 г. сделал первый велосипед с педалями. Человек нажимал ногами на педали, передвигая их вверх и вниз, это движение передавалось через шатуны на заднее колесо, заставляя его вращаться, и велосипед ехал вперед. По этому же принципу построены все современные велосипеды. Велосипед Киркпатрика был очень тяжелым, поэтому физические усилия, необходимые для подъема на холм, были просто огромными. Но это не мешало Киркпатрику, который явно был в хорошей форме, — он мог доехать в Дамфрис (а это 22,5 км) менее чем за час.

Колесный самокат без педалей называли «лошадкой для денди» («dandy horse»), потому что это была игрушка для богатых молодых людей, или денди. Такой самокат был изобретен в Германии в 1817 г

Киркпатрик не запатентовал свое изобретение, и его идея была подхвачена и развита другими. В 1860-х гг. французские инженеры создали похожую машину с педалями на переднем колесе, названную велосипедом. В 1880-х гг. впервые появились велосипеды с цепным приводом. Их называли «безопасными велосипедами», потому что цепь передавала усилие только на заднее колесо, а переднее оставалось свободным и выполняло повороты.

Варианты конструкций велосипедов конца XIX в. Большое переднее колесо делало устройство гораздо более быстрым. Только у «безопасной» модели с цепной передачей были колеса одинакового размера

Туннель под Темзой

В начале XIX в. возникла острая необходимость связать доки на Северном и Южном берегах реки Темзы в Лондоне. По этому участку реки проходили большие корабли, поэтому нельзя было строить мост. Туннель казался единственным вариантом.

Копать в мягкой глине русла Темзы оказалось очень сложно, все первые попытки окончились неудачно. Вырыть туннель под Темзой казалось невозможным. Марк Брюнель, английский инженер французского происхождения, так не думал. Вместе с Томасом Кокрейном он изобрел щит, сделавший возможным прокапывание туннеля в глине. Источником его вдохновения был корабельный червь-древоточец, чья голова защищена твердой оболочкой, благодаря чему он может проделывать отверстия в древесине. Усиленный чугунный проходческий щит делился на 36 отделений, которые защищали копавших оголовок туннеля. По мере продвижения работы щит перемещался вперед с помощью домкратов, а выкопанная поверхность позади него обкладывалась кирпичом. Работа над туннелем началась в 1825 г.

Шахтеры копают туннель внутри проходческого щита. Самым важным в щите было то, что он поддерживал грунт впереди и вокруг, предотвращая обвалы

Но щит не спасал от массы других опасностей. Грязная вода из реки просачивалась вниз, вызывая болезни. Высокая концентрация метана часто приводила к возникновению пожара, постоянно была угроза затопления. Вскоре к уменьшающемуся числу рабочих присоединился сын Марка Брюнеля, 20-летний Изамбард (инженер кораблей «Грейт Вестерн» и «Грейт Истерн», см. стр. 87–89).

Строительство туннеля под Темзой длилось 18 лет. Его ширина была 11 м, высота — 6 м, длина — 396 м, а глубина — 23 м. В нем были установлены дренажные насосы (спасавшие от просачивавшихся грунтовых вод), проведено освещение, проложены дороги и сделаны винтовые лестницы. 25 марта 1843 г. туннель был открыт для публики, которая могла пройти по нему пешком.

Туннель под Темзой — первый в мире туннель, прорытый под судоходной рекой. Сначала по нему двигались повозки и пешеходы. Сегодня он используется как часть железнодорожной сети Лондона

Производство стали

В середине XIX в. для многих крупных строительных проектов нужны были чугунные или стальные детали, но возникли проблемы с материалом. Сталь отлично подходила, но стоила очень дорого. Все изменилось в 1855 г.

Генри Бессемер, сын французского инженера, живший в Великобритании, с юных лет демонстрировал страсть к изобретательству. Проект, который сделал его имя известным, относится к 1850-м гг., когда шла Крымская война. Использовавшиеся в то время пушечные ядра были смертельными, но ими было трудно прицелиться. Бессемер сконструировал длинный тонкий снаряд со спиральными канавками по внешней стороне (сейчас мы называем это нарезкой), которые заставляли снаряд вращаться и повышали точность попадания. Но орудийные стволы того времени были недостаточно прочными и часто лопались во время стрельбы. Нужны были пушечные стволы из стали — прочного сплава железа и углерода. Литая сталь идеально подходила, но ее умели делать только небольшими партиями, поэтому она была очень дорогой. Бессемер экспериментировал с продувкой воздухом расплавленного чугуна в маленькой печи и обнаружил, что ему удается превратить чугун в сталь. Чугун отличается от стали бо́льшим содержанием углерода, и в опыте Бессемера лишние углеродные примеси окислялись и образовывали угарный газ, который сгорал. Оставалось придумать, как подвергнуть весь расплавленный чугун воздействию воздуха как можно скорее.

Бессемеровский метод производства стали в промышленных масштабах резко снизил ее стоимость. Не будет преувеличением сказать, что это открытие сильно ускорило ход промышленной революции

В 1855 г. Бессемер изобрел метод, названный впоследствии его именем. Расплавленный чугун выливали сверху в большой грушевидный сосуд, а холодный сжатый воздух подавали через его днище. В течение нескольких минут углерод, марганец и кремний окислялись, окись углерода сгорала, а другие примеси образовывали шлак, который поднимался и плавал на поверхности жидкого металла. Критики утверждали, что холодный воздух приведет к преждевременному затвердеванию металла, но эксперименты Генри показали, что при окислении вырабатывается достаточно тепла для сохранения жидкого состояния металла, устраняя необходимость использования дополнительно дорогого топлива для поддержания металла в расплавленном состоянии.

Конвертер Бессемера был предназначен для максимально эффективного производства стали. Он устанавливался вертикально на то время, когда воздух сжигал примеси, однако мог наклоняться, чтобы слить жидкую сталь

Если раньше за 12-часовую смену производилось 1,5 т ковкого чугуна, то в конвертере Бессемера за 20 минут можно было получить в десять раз больше стали. Изобретение Генри Бессемера стало самым важным событием в металлургии, поскольку позволило делать из сверхпрочной стали любые предметы — от железнодорожных путей до каркасов зданий.

Алюминий

Несмотря на то что алюминий — самый распространенный металл в земной коре, его очень сложно выплавить, поэтому некогда он даже считался драгоценным металлом. В свое время алюминиевый брусок входил в состав французских коронных сокровищ. Прорыв в производстве алюминия произошел в 1886 г., когда американцы Чарльз и Джулия Холл и одновременно с ними француз Поль Эру независимо друг от друга изобрели способ очистки алюминия с помощью электричества.

Пластмасса

Легкие, податливые, жесткие или мягкие, пластмассы являются сейчас важнейшими компонентами практически всего — от сотовых телефонов и автомобилей до роботов и протезов.

Первый искусственный пластик запатентовал металлург и изобретатель из Бирмингема Александр Паркс в 1856 г. Это была нитроцеллюлоза — целлюлоза, обработанная азотной кислотой и растворителем. Паркс назвал это вещество «паркезин» и основал завод в Лондоне, но его продуктом быстро перестали пользоваться, потому что он был дорогим, легко трескался и загорался. Его соотечественник, британец Даниэль Спилл, создал улучшенную версию этого материала — ксилонит, но оказался втянут в споры о патентах и обанкротился. Лишь американцу Джону Уэсли Хайату удалось наладить первое успешное производство пластмассы. После приобретения патента Паркса в 1869 г. Хайат начал экспериментировать с паркезином, стремясь найти новый материал для бильярдных шаров, которые делали из слоновой кости. Он преуспел, открыв целлулоид, который поступил в массовое производство в 1872 г. Его компания производила, помимо многого прочего, целлулоидные клавиши для пианино, вставные зубы и бильярдные шары.

Коллекция предметов из паркезина: бильярдный шар, трубка, пластина и коробочка для украшений

Броненосец

Броненосцы с металлической обшивкой, на паровом двигателе, вооруженные пушками с разрывными снарядами, полностью изменили облик войны на море после того, как впервые появились на театре военных действий в начале Гражданской войны в Америке.

9 марта 1862 г. в битве на Хэмптонском рейде, штат Вирджиния, впервые столкнулись бронированные военные корабли — принадлежавшая конфедератам «Вирджиния» вступила в бой с броненосцем северян «Монитор». «Вирджиния» была старым фрегатом (называвшимся «Мерримак»), который подвергся значительной перестройке. Основная палуба была переделана так, чтобы оставаться под водой, и покрыта 10-сантиметровыми железными пластинами. Верхняя часть корпуса была покрыта двумя слоями 5-сантиметровых пластин, расположенных под углом 36° к горизонтали, чтобы отклонять ядра противника. На корабле было 14 бойниц с мощными пушками.

Первая битва броненосцев произошла во время попытки конфедератов прорвать блокаду северянами Чесапикского залива. В этой битве не было победителя, как это происходило и в дальнейшем во время столкновений между тяжелобронированными линкорами

«Вирджиния» уже потопила два боевых корабля северян до эпохальной встречи с «Монитором». Его конструкция была поистине революционной. Меньше «Вирджинии», он был более быстрым и маневренным, имел вращающуюся орудийную башню на два орудия. Бой продолжался несколько часов, оба судна пережили прямые попадания снарядов, но ни одно из них не стало фатальным. В конце концов «Монитор» удалился, чтобы оценить ущерб, но сражение еще не было окончено. Хотя ни один из броненосцев не пережил эту войну, их способность выдерживать прямые попадания убедила командование обоих флотов строить больше подобных кораблей. В результате северяне построили 50 броненосцев по типу «Монитора».

Идея металлической обшивки корпуса корабля не была новой. Еще в XVIII в. в британском флоте на борта военных кораблей прикрепляли медные пластины, но это делалось для защиты кораблей от червей-древоточцев, а не от вражеских снарядов. В середине XIX в. по мере увеличения огневой мощи артиллерии оборонительная железная броня стала необходимостью. Это утяжеляло корабль, но паровые двигатели могли обеспечивать его движение. Первый океанский броненосец Gloire был спущен на воду во Франции в 1859 г. Два года спустя англичане ответили постройкой двух броненосцев королевского флота — Warrior и Black Prince.

Метро

Когда один английский юрист предложил построить подземную железную дорогу, чтобы облегчить движение на оживленных улицах города, люди сначала не восприняли его всерьез. Но в конце концов его идея изменила способ перемещения людей по городу.

После того как в 1850-х гг. к северу от Лондона было завешено строительство расположенных неподалеку друг от друга крупных железнодорожных станций Паддингтон, Юстон и Кингс Кросс, перегруженность района стала невыносимой. Чарльз Пирсон предложил пустить подземный поезд между станциями, чтобы разгрузить улицы. Сначала его идеи считались неуместными, но в 1854 г. было решено построить первое в мире метро. Лишь девять лет спустя, в 1863 г., под улицами Лондона была построена столичная железная дорога, хотя, к сожалению, Пирсон не дожил до этого дня.

Поезд метро движется по развязке Прайд-стрит под улицами Паддингтона, Лондон

Часть лондонского метро строилась траншейным методом. Рылся глубокий ров, укладывались рельсы, а затем ров закрывался сверху так, что над ним могла продолжаться обычная жизнь. Другие части метро, получившие название «трубы», были вырыты с помощью проходческого щита Брюнеля. Шестикилометровая линия метро сразу добилась оглушительного успеха — в первый же день им воспользовались 38 000 пассажиров, ехавших в вагонах, которые тянул паровой локомотив. В следующие годы лондонское метро стало быстро расширяться. Власти других городов тоже поняли, что сеть линий метро, быстро доставляющего пассажиров к месту назначения, может облегчить ситуацию на загруженных дорогах. В 1896 г. в Будапеште, Венгрия, и в шотландском городе Глазго были открыты собственные подземные транспортные линии. Первая линия метро в Нью-Йорке начала работать в 1904 г. Московское метро было открыто в 1935 г.

Схемы метро

Гарри Бек был техническим чертежником, умевшим рисовать электронные схемы. Он считал, что пассажирам лондонского метро важнее знать, какая линия метро приведет их к месту назначения и какую пересадку где им следует сделать, чем точное географическое положение. Поэтому он создал схему, на которой ветки метро были окрашены в разные цвета. Введенная в 1933 г., эта схема была восторженно принята жителями Лондона. С несколькими изменениями она используется и по сей день. Эту идею переняли все метро мира.

Трансконтинентальная железная дорога

До 1869 г. с востока на запад США можно было добраться только в фургоне. Путешествие занимало шесть месяцев. После этого года подобная поездка занимала чуть больше недели благодаря тому, что была построена Трансконтинентальная железная дорога.

Трансконтинентальная железная дорога стала триумфом инженерной мысли — ведь строителям пришлось покорять крутые овраги и обрывистые горы, строить сотни мостов и десятки тоннелей. Железная дорога произвела революцию в экономике и изменила жизнь в поселениях американского Запада, сделав перевозку грузов и людей быстрее, дешевле и удобнее. Этот «сухопутный путь» длиной 3069 км протянулся от Каунсил-Блафс на восточном берегу реки Миссури до Сакраменто на побережье Калифорнии.

За семь лет до начала строительства законом были утверждены две железнодорожные компании, которым было доверено строительство: Central Pacific и Union Pacific. Каждой из них выделялась земля и выплачивалось вознаграждение за каждую милю железнодорожного пути, поэтому строить старались как можно быстрее. Central Pacific начала работу с запада и столкнулась с самыми серьезными проблемами. Поскольку Калифорния находилась в изоляции, все строительные материалы — от кирки и лопаты до паровозов и рельсов — приходилось завозить туда на кораблях. Бо́льшую часть грузов пришлось везти 29 000 км вокруг мыса Горн на южной оконечности Южной Америки. Дорога занимала около 200 дней. Путь, включавший Панамскую железную дорогу, был быстрее (40 дней), но вдвое дороже.

При подъеме на перевал Доннер в горах Сьерра-Невада дорога поднималась очень круто — на 2133 м за 145 км. В горах на Central Pacific работали в основном китайские рабочие, которым пришлось пробить 15 туннелей, в том числе туннель Саммит длиной 506 м. Пока не изобрели нитроглицерин, которым можно взрывать скалы, темп продвижения работ был мучительно медленным — всего 30 см в день. Еще одной опасностью, подстерегавшей строителей в горах, был снег. Чтобы защитить железнодорожные пути от снежных лавин, на верхних участках новой трассы было выстроено 59,5 км деревянных навесов. После того как дорога покинула массив Сьерра-Невада, скорость строительства увеличилась. Однажды строители Central Pacific проложили 16 км рельсов за день — рекорд, который не побит по сей день.

Строительство железной дороги было тяжелой и опасной работой. Подсчитано, что за шесть лет строительства погибло более 1000 рабочих

Локомотивы

Поначалу локомотивы поездов, пересекавших Американский континент, работали на дровах. Они были очень медленными и испытывали трудности на крутых подъемах. Чтобы водить поезда Central Pacific по горам Сьерра-Невады, нужен был совсем другой тип локомотивов — не те, которые пересекали пустыню Невада. Ранние локомотивы с большим запасом дров, заготовленных в восточных лесах и предгорьях Скалистых гор, после 1870-х гг. постепенно заменялись на все более крупные паровозы, работавшие на угле.

Междугородные перевозки

Железная дорога между Ливерпулем и Ман честером, спроектированная Джорджем Стефенсоном и открытая в 1830 г., — первая в мире железная дорога, связавшая два города. Промышленники этих двух городов нуждались в дороге, позволявшей доставлять сырье из порта Ливерпуля на фабрики Манчестера и готовую продукцию обратно в порт. Ранее перевозки осуществлялись по каналу Бриджуотер, но теперь хотелось иметь более быстрый и дешевый способ доставки грузов. По железной дороге перевозили не только товары, но и пассажиров.

Продвижение с востока

Union Pacific начала строить дорогу с восточного конца, и поначалу работы шли на относительно ровной местности большой равнины, прежде чем перешли на предгорья Скалистых гор. Однако инженеры и рабочие столкнулись с дополнительной проблемой: коренные американцы рассердились, увидев, что у них забирают землю.

Работы продвигались, строились деревянные мосты через овраги. Один из них — Dale Creek Bridge в штате Вайоминг — был длиной 198 м и вздымался на 38 м над дном долины. Были необходимы новаторские приемы строительства, и готовые деревянные компоненты мостов везли из Чикаго на строительную площадку. Когда в мае 1869 г. Central Pacific и Union Pacific встретились, выяснилось, что за шесть лет они проложили 1110 км и 1746 км трассы соответственно. Теперь Соединенные Штаты были по-настоящему объединены.

10 мая 1869 г. в Промонтори Саммит в штате Юта президент Central Pacific Леланд Стэнфорд вбил золотой костыль в последний рельс первой Трансконтинентальной железной дороги, соединяющей восточное побережье США с западным

Телефон

Современные сотовые телефоны работают на тех же принципах, что и первые телефоны. Главная проблема, стоявшая перед создателями телефонов, заключалась в том, что необходимо было преобразовывать звуковые волны в электрические сигналы.

Телефон состоит из микрофона, в который говорят, преобразователя голоса в электрические сигналы, средства отправки сигналов к месту назначения и громкоговорителя в пункте назначения, преобразующего электрические сигналы обратно в звуки голоса.

Изобретение телефона, передающего голос на расстояние, обычно приписывают шотландско-канадскому инженеру Александру Грейаму Беллу. Мать Белла оглохла, и его отец разработал способ обучения глухих людей речи. Александр изучал методику отца. Он также стремился помочь глухим слышать. В 1874 г. он построил прибор, который назвал фонавтограф. Говоря прямо в ухо глухому человеку, он вызывал вибрацию ушных мембран. Возникающие колебания заставляли рычаг, прикрепленный к уху, рисовать волнообразный узор на закопченном стекле. Чем громче был звук, тем выше волна. В течение следующих двух лет Белл работал над способами преобразования звуковых волн в электрический ток, а не в движение рычага.

«Телефон» Рейса 1861 г. был первым устройством, передающим голосовой сигнал по проводу, хотя он работал только в одном направлении

Фотофон

Фотофон Белла был первой в мире беспроводной телефонной системой. Слова, произнесенные в трубку, заставляли зеркало вибрировать, изменяя количество солнечного света, отражаемого на приемное зеркало, где световые волны преобразовывались обратно в звук. Для реализации этого аппарата существовали практические проблемы — например, он не работал в пасмурные дни, поэтому изобретение не получило широкого использования. Впрочем, его считают предшественником оптоволоконной телекоммуникации, используемой для передачи телефонных и интернет-сигналов со скоростью света.

Жидкостный передатчик

Прорыв в работе Белла произошел 10 марта 1876 г., когда он впервые публично продемонстрировал свой «жидкостный передатчик». Это гениальное устройство состоит из вертикального конуса с пергаментом, натянутым на отверстие в его нижней части, как барабанная перепонка. На внешней стороне пергамента была установлена пробка с прикрепленной к ней иглой, которая была опущена в небольшую емкость с разбавленной серной кислотой. Игла подключалась к аккумулятору. Когда Белл говорил в открытую вершину конуса, звуковые волны заставляли пергамент и иглу под ним вибрировать. Вибрации приводили к возникновению тока различной силы между электрическими контактами. Таким образом звуковые волны преобразовывались в электрические сигналы. Сигналы передавались по проводам в приемник, который в ходе этого эксперимента был расположен в другой комнате, при нем находился Томас Уотсон. Там электрические импульсы преобразовывались в звук. Во время проведения эксперимента Белл пролил кислоту на брюки и сказал по аппарату своему помощнику: «Мистер Уотсон, идите сюда. Я хочу вас видеть». Через несколько месяцев Белл смог передавать голосовые сообщения на гораздо большие расстояния.

Лошади и салат из огурцов

За пятнадцать лет до триумфа Белла немецкий изобретатель Филипп Рейс построил прототип телефона, который работал по аналогичной схеме: звук преобразовывался в электричество, а затем обратно в звук. В своем первом приемнике он намотал проволоку на железную спицу и установил ее напротив резонаторного отверстия скрипки. Когда ток проходил через спицу, железо немного сжималось и возникал щелчок. Чтобы описать созданное им устройство, Рейс придумал термин «телефон».

Позднее Томас Эдисон отдал должное как Рейсу, так и Беллу, написав: «Первым изобретателем телефона был Филипп Рейс из Германии, но его аппарат передавал только музыку, не речь. Первым человеком, который публично продемонстрировал телефон для передачи членораздельной речи, был А. Г. Белл». Это не вполне справедливая оценка достижения Рейса, потому что ему удалось передать речь — своеобразную фразу «Das Pferd frisst keinen Gurkensalat», что означает «лошадь не ест салат из огурцов». Эти слова были выбраны потому, что их сложно понять на слух по-немецки.

Александр Грейам Белл на открытии междугородной линии Нью-Йорк — Чикаго в 1892 г

Устройство Белла на самом деле было первым практическим коммерческим телефоном для передачи членораздельной речи, хотя американец Элиша Грей также самостоятельно разработал телефон почти одновременно с Беллом. Эдисон улучшил микрофон Белла, использовав уголь, который изменял свою электропроводность при небольшом сдавливании. Это позволило передавать человеческий голос на гораздо большие расстояния и воспроизводить значительно четче. Еще в 1970-х гг. производились телефоны с микрофонами на основе угля.

Пересекающиеся линии

До внедрения автоматизированных телефонных станций сотни операторов работали круглосуточно, вручную соединяя номера. Чтобы позвонить другу, надо было поднять телефонную трубку и попросить оператора соединить вас с нужным номером. Он или она подключали шнур со штекером в коммутатор с номером вашего друга. Каждый час совершались тысячи звонков, и неудивительно, что линии путались или перекрещивались, и порой происходили ошибочные соединения с другими людьми. Автоматическое соединение мультиплексировало звонки, то есть по одной линии проводилось несколько разговоров одновременно. При современной цифровой связи также может произойти перекрывание сигналов, когда некое третье лицо может принять участие в вашем разговоре — это называется пересекающимися линиями.

Лампочка

Американский изобретатель Томас Эдисон не открывал электричество, но он первым изобрел лампу накаливания, практичную в использовании и пригодную для массового производства.

В 1809 г. английский химик Гемфри Дэви продемонстрировал первую в мире электрическую лампу, присоединив два провода одними концами к аккумулятору, а другими концами — к пластинке угля. В последующие десятилетия многие инженеры пытались использовать вместо угля другие материалы. В 1860 г. другой англичанин Джозеф Суон запатентовал лампу, в которой использовалась углеродные нити, но эти лампы часто перегорали и не пользовались спросом. В 1880 г. Эдисон получил патент США. Его команда работала над проектом лампы в течение двух лет и протестировала более 3000 конструкций. Они обнаружили, что лампа с нитью накаливания из карбонизированного бамбука работает в течение 1200 часов — гораздо дольше, чем другие протестированные материалы. Однако самое большое достижение Эдисона состояло в том, что он сумел придумать, как поставлять электроэнергию в дома, чтобы питать ею лампочки и другие электрические приборы.

Изобретение Эдисона заключается в сочетании слабого электрического тока, высокого сопротивления нити накаливания и вакуума внутри колбы. Лампы накаливания, которые светятся благодаря нагреванию, были основным источником света до 1990-х гг., когда начали использоваться более эффективные люминесцентные лампы, работающие за счет электризации очень разреженных газов

Электростанция

Когда Томас Эдисон запатентовал электрическую лампу накаливания, он считал, что сможет заменить газовое освещение в течение нескольких лет. Но для осуществления этого плана он должен был найти способ генерировать достаточный объем энергии.

В 1882 г. Эдисон открыл первую в мире электростанцию в Холборне, Лондон, чтобы обеспечивать электричеством адвокатские конторы, суды и главный городской телеграф. Несколько недель спустя он открыл еще одну электростанцию на Перл-стрит в Манхэттене. В ней стояло шесть огромных генераторов, которые превращали механическую энергию в электрическую. Пар от сжигания угля вращал турбины, и относительное перемещение магнитного поля и проводников вырабатывало ток. Каждый генератор был в четыре раза больше, чем любой из ранее построенных, весил 27 т и производил 100 кВт — достаточно для питания более 1000 лампочек. Эдисону потребовалось шесть генераторов для того, чтобы обеспечить всего 2,5 кв. км площади Нью-Йорка. Среди первых его клиентов была газета The New York Times, сотрудники которой говорили, что свет новых лампочек был «мягким, сочным, удобным для глаз» по сравнению с дуговыми лампами, которые они использовали до этого. По мере роста спроса все более заметными становились недостатки электрической сети постоянного тока Эдисона. Эту форму энергии нельзя передавать на достаточно большие расстояния, так что электростанции приходилось строить через каждые 3,2 км.

Конкурент Эдисона Джордж Вестингауз утверждал, что переменный ток — более удобный вариант. Он использовал изобретение серба Николы Теслы — трансформатор, на который Вестингауз оформил лицензию в 1888 г. Можно добиться очень высокого напряжения переменного тока, что позволяет эффективно передавать его на дальние расстояния по относительно тонким и легким проводам.

Электростанция на Перл-стрит нуждалась в огромном количестве угля, чтобы поддерживать работу генераторов, так что она начала приносить прибыль только в 1884 г. В 1890 г. станция сгорела

Томас Эдисон ответил ударом на удар. В течение нескольких лет шла так называемая война токов, на иски отвечали встречными исками. Эдисон настаивал на том, что высоковольтные линии переменного тока слишком опасны — поражение электрическим током не было редкостью. Однако к 1890-м гг. две крупнейшие компании, связанные с переменным током, принесли больше прибыли, чем фирма Эдисона, и он вынужден был признать свое поражение.

В наши дни наибольшее количество электроэнергии производится на электростанциях турбинами, приводящими в движение генераторы, но существуют и другие виды электростанций: сжигающие ископаемое топливо, использующие ядерные реакции и возобновляемые источники энергии. Около 40 % электроэнергии в мире получается в результате работы паровых турбин, в которых сжигается уголь и нефть. Турбины, работающие на природном газе, вырабатывают 20 % электроэнергии, 15 % получают на атомных электростанциях.

Битва токов

Системы переменного тока Николы Теслы, в которых электрический ток меняет направление несколько раз в секунду, являются основой передачи тока на большие расстояния. Можно увеличить напряжение, передать ток в нужное место, а затем уменьшить напряжение понижающими трансформаторами, чтобы использовать ток для питания бытовых приборов. Генераторы могут быть больше, их число — меньше, и затраты на перенос энергии также уменьшаются. Система генераторов и трансформаторов Теслы стала прорывом и сделала выработку электричества экономичной. Уже к 1890 г. в промышленности и большинстве домов использовался переменный ток.

Геотермальная энергия

Тепло, вырывающееся из Земли, могло бы стать практически неограниченным источником геотермальной энергии. В некоторых регионах камни и вода у поверхности земли нагреваются до 370 °C. Инженеры XX в. начали использовать это явление, особенно в Калифорнии и Исландии (выше), для получения большого количества электроэнергии.

Бруклинский мост

Когда в 1883 г. был открыт Бруклинский мост, его называли «восьмым чудом света», но строительство одной из самых известных достопримечательностей Нью-Йорка было омрачено рядом трагедий.

Мост впервые связал Манхэттен и Бруклин, два отдельных города. Длина его главного пролета — 486 м, это был самый длинный подвесной мост в мире и один из первых мостов, висевших на стальных канатах. Его канаты были натянуты между двумя башнями высотой по 85 м, построенными из известняка и гранита. Пролет моста находится на высоте 41 м над водой, что позволяет проходить под ним даже большим судам.

Первая трагедия произошла еще до начала строительства, когда нога конструктора моста Джона Рёблинга была повреждена сваей от парома в то время, когда он делал измерения. Ему ампутировали пальцы, но он заразился столбняком и умер.

Потребовалось 14 месяцев, чтобы скрутить плетеные стальные тросы, протянув их между башнями в неоготическом стиле, и еще пять лет, чтобы подвесить на этих кабелях пролет моста

Первой серьезной задачей, стоявшей перед строителями, была постройка гигантских опорных башен. Их основания должны были опираться на глубокий фундамент под водами Ист-Ривер. Хитроумная стратегия Рёблинга заключалась в том, чтобы утопить сосновые кессоны там, где должны стоять башни. Кессоны представляли собой огромные перевернутые ящики, куда накачивали сжатый воздух, чтобы предотвратить попадание в них воды после того, как они окажутся на дне реки. Группа рабочих, находившаяся внутри, выгребала ил, а башни строились поверх кессонов. По мере удаления мягкого грунта башни оседали все ниже и ниже.

В день открытия моста 24 мая 1883 г. по нему прошло около 150 000 человек. Чтобы его построить, потребовалось 14 лет, 15 млн долларов и 27 жизней. Многих тревожила подвесная конструкция, но 17 мая 1884 г. Ф. Т. Барнум провел по Бруклинскому мосту 21 слона, чтобы доказать его прочность.

Прототип

Репутация Джона Рёблинга упрочилась после постройки подвесного моста через реку Огайо в Цинциннати (мост Рёблинга). Чтобы заложить фундаменты двух башен, выкопали котлованы, стенки которых были укреплены пиломатериалами. Насосами из котлованов была выкачана вода, что позволило рабочим копать вглубь в русле реки. В Бруклине Рёблинг использовал кессоны, а не котлованы, но основной принцип был тот же. Когда в 1866 г. мост в Цинциннати был открыт, его центральный пролет имел длину 332 м, что делало его самым длинным мостом такого рода в мире.

Небоскреб

По сегодняшним меркам не очень высокий, 10-этажный Home Insurance Building в 1885 г. поднялся над пустошью, возникшей после Великого пожара в Чикаго. Это навсегда изменило подход к проектированию городов.

Эмпайр-стейт-билдинг в Нью-Йорке — один из самых известных в мире небоскребов. Когда в 1931 г. строительство было завершено, его 102 этажа высотой 443 м стали самой высокой постройкой в Нью-Йорке. Так продолжалось в течение 40 лет, прежде чем его превзошли башни-близнецы Всемирного торгового центра

По современному определению небоскребом является офисное или жилое здание высотой более 40 этажей. Высота Home Insurance Building составляет «всего» четверть от этой величины, но революционный проект его архитектора Уильяма Ле Барона Дженни позднее использовался для строительства гораздо более высоких построек. Говорят, что идея небоскреба родилась у Дженни, когда он увидел, что его жена положила тяжелую книгу на маленькую птичью клетку, и та легко удержала вес. Обычные несущие стены могут поддерживать здание только до определенной высоты, поэтому Дженни использовал стальные рамы, которые способны поддержать гораздо больший вес и позволяют строить выше. Ненесущие стены можно было поставить или подвесить на стальной каркас. Эта чикагская конструкция была особенно популярной еще и потому, что сочетание стального каркаса и облицовочного камня делало ее огнестойкой. В здании также использовались лифты, придуманные Элишей Отисом на несколько лет раньше. За обладание самым высоким зданием сражались Чикаго и Нью-Йорк — два города, где земля очень дорогая. Нью-Йорк лидировал в течение многих лет, пока в 1973 г. в Чикаго не построили Сирс-тауэр (ныне Уиллис-тауэр) высотой 442 м. Его сумел превзойти Всемирный торговый центр высотой 541,3 м, строительство которого было завершено в Нью-Йорке в 2014 г.

Глиняные небоскребы

Если смотреть с большого расстояния, Шибам в Йемене выглядит как современный район высотной застройки, его даже называют «Манхэттен пустыни». Но приглядевшись поближе, понимаешь, что он был построен намного раньше, и все 5–11-этажные здания сделаны из кирпича. Поселок был построен в XVI в. для защиты от набегов кочевников. На стены регулярно наносят свежий глиняный раствор, поэтому они не истончаются и не разрушаются.

Автомобиль

От паровых машин, которые могли двигаться не быстрее пешехода, автомобиль развился до драгстеров с реактивным двигателем, полностью изменив наш образ жизни.

Главным изобретением, сделавшим возможным появление практичного автомобильного транспорта, был двигатель внутреннего сгорания, который изобрел в 1807 г. француз Франсуа Исаак де Риваз. Его модель работала на водородно-кислородной газовой смеси, которая поджигалась искрой. Двигатели внутреннего сгорания были легче, компактнее, эффективнее и начинали работать быстрее, чем паровые двигатели и прочие двигатели внешнего сгорания.

В Benz Patent-Motorwagen использовался установленный сзади одноцилиндровый четырехтактный двигатель объемом 954 куб. см. Он работал на лигроине — разновидности бензина, продававшемся в аптеках, зажигание происходило от искры, создаваемой катушкой прерывателя. На колеса со стальными спицами были надеты толстые и плотные резиновые шины, из-за чего первые автомобили сильно трясло

Первые транспортные средства

На протяжении большей части XIX в. инженеры соревновались в разработке все более эффективных двигателей внутреннего сгорания. В 1860 г. бельгиец Этьен Ленуар построил первый одноцилиндровый двухтактный двигатель, в котором сгорала смесь светильного газа и воздуха, поджигавшаяся «проскакивающей искрой». Он использовал этот газовый двигатель, чтобы привести в движение автомобиль, названный им «гиппомобиль». На испытаниях в 1863 г. эта машина прошла 17,7 км за три часа.

В течение следующих трех лет в автомобилестроении одно новшество появлялось за другим, в основном это происходило в Германии. В 1864 г. Николаус Отто и Ойген Ланген построили четырехтактный двигатель внутреннего сгорания, более мощный, чем двухтактный. В 1876 г. появился первый двигатель, в котором топливная смесь сжималась перед сгоранием, что повышало его эффективность. В 1885 г. Готтлиб Даймлер создал Reitwagen — первое в мире двухколесное транспортное средство с двигателем внутреннего сгорания. Оно по праву может претендовать на звание первого мотоцикла.

Экипаж с паровым двигателем

Капитан французской армии Николя-Жозеф Кюньо изобрел первую в мире самоходную машину — fardier à vapeur, или паровую телегу. Она была трехколесной, с котлом и рулевым механизмом, опирающимися на переднее колесо. Эта машина была построена для военных, но оказалась медленной, ненадежной и сложной в управлении. Во время испытаний в 1771 г. телега вышла из-под контроля и разрушила стену — первая автомобильная авария в истории.

Двухтактный двигатель Ленуара

Первый легковой автомобиль

Другой немец, Карл Бенц, давно мечтал изобрести практичный «безлошадный экипаж». В 1873 г. он разработал двухтактный поршневый бензиновый двигатель, а после сосредоточился на создании транспортного средства с мотором, продолжая разработку и производство стационарных двигателей. В 1885 г. Бенц завершил конструирование Benz Patent-Motor wagen — трехколесного автомобиля, развивавшего скорость до 16 км/ч.

В следующем году Benz Patent-Motorwagen стал первым автомобилем с двигателем внутреннего сгорания, пошедшим в производство. Карл Бенц изобретал лучше, чем рекламировал, поэтому, чтобы заявить об изобретении мужа и начать собирать заказы, в августе 1888 г. его жена Берта совершила поездку на новом автомобиле. Взяв с собой двух сыновей-подростков, она проехала 106 км от Мангейма до Пфорцхайма за один день, чтобы навестить свою мать. Ей пришлось заправиться в аптеке, а мальчикам — толкать машину на крутых холмах, но реклама сработала, и Карл начал получать приказы. В 1899 г. его завод в Мангейме был крупнейшим производителем автомобилей в мире, делая 572 автомобиля в год.

Четырехтактный двигатель

1. Поршень движется вниз внутри цилиндра, втягивая воздушно-топливную смесь в созданный вакуум.

2. Когда вращение коленвала снова толкает поршень вверх, воздушно-топливная смесь сжимается.

3. Катушка прерывателя, или свеча зажигания, создает искру и воспламеняет топливо. Взрыв толкает вниз поршень и коленвал.

4. Поршень выталкивается вверх, заставляя выхлопные газы удаляться из цилиндра.

Массовое производство

Если немецкие инженеры шли впереди всех в области изобретений, то в сфере массового производства их опередил американский производитель Генри Форд, который ввел конвейер и быструю сборку для снижения затрат и цен. В 1908–1927 гг. было собрано 15 млн его машин модели «Т». К середине 1920-х гг. их было так много, что каждые три минуты можно было увидеть очередную машину Форда! На протяжении XX в. наблюдалось значительное увеличение мощности и КПД двигателя, улучшение рулевого управления и повышение комфорта. Из-за озабоченности по поводу рациональности использования природного топлива производители стали переходить на более экологичные электромобили и машины, работающие на биотопливе.

Шасси на заводе компании Форда в Детройте на пути к установке полностью готовой машины модели «Т»

Турбина

В 1894 г. в северной Англии была спущена на воду «Турбиния» — 30-метровое судно с паротурбинной установкой, построенное Чарльзом Парсонсом. Новый тип двигателя произвел революцию в области морского транспорта и производства электроэнергии.

Парсонс назвал свой корабль «гончей Северного моря», и в ходе испытаний корабль мчался по воде с неслыханный скоростью в 34 узла (63 км/ч). Три года спустя «Турбиния» эффектно показала себя на смотре боевых кораблей Королевского военно-морского флота в честь бриллиантового юбилея королевы Виктории в Спитхеде. «Турбиния» появилась без предупреждения и приглашения на глазах тысяч изумленных зрителей. Она промчалась между двумя линиями кораблей и прошла перед принцем Уэльским и высокопоставленными лицами со всего мира. Она легко обогнала корабль, посланный ей на перехват.

Парсонс доказал свою правоту, создав самый быстрый корабль в мире. Секретом его успеха были три турбины, напоминавшие пропеллеры, которые вращались под воздействием потоков пара высокого давления. К каждой турбине было прикреплено по три вала, а каждый вал приводил в движение три гребных винта, то есть всего было девять винтов.

После усовершенствований, сделанных в 1897 г., «Турбиния» с открытой дроссельной заслонкой демонстрирует высокую скорость

Источник энергии

Следующие десять лет Парсонс совершенствовал контроль над движением пара в турбине, чтобы добиться максимальной мощности системы. Его изобретение было использовано для приведения в движение генератора, который вырабатывал дешевую электроэнергию. Затем Парсонс несколько лет совершенствовал паровую турбину, чтобы морские двигатели могли вращать винты напрямую. В течение нескольких лет после эффектного появления «Турбинии» британский Королевский флот ввел в эксплуатацию два эсминца с паротурбинными двигателями Парсонса. Первое торговое судно «Король Эдвард» с паротурбинным двигателем было спущено на воду в 1901 г. Четыре года спустя англичане подтвердили, что все будущие суда Королевского военно-морского флота должны работать на турбинах. Эти могучие корабли — дредноуты — принимали участие в Первой мировой войне.

Паровая турбина, использующая для выработки электроэнергии большой магнит, расположенный над вращающимися деталями

Радиосвязь

Сотовые телефоны, спутниковая связь, микроволновые печи и телевидение — все это работает на основе радиоволн. Генрих Герц доказал существование этих волн, но впервые их использовал на практике Гульельмо Маркони.

Молодой Маркони хотел использовать «волны Герца», как их называли, для улучшения связи. С помощью дворецкого он в 1895 г. изобрел «беспроволочный телеграф», соорудив его в доме своих родителей в Италии. Это было первое радио, способное посылать сигналы азбуки Морзе на расстояние около 1,6 км. Для усовершенствования системы нужны были деньги, и, получив грант от британского почтового ведомства, Мар-кони переехал в Лондон.

В 1897 г. Маркони открыл фирму в Англии. Он установил радиостанцию на острове Уайт, с которой королева Виктория смогла отправить сообщение сыну на королевскую яхту, а тот послал первый радиосигнал через Ла-Манш. В передатчике Маркони использовался непрерывный поток высоковольтных разрядов, создающих радиоволны, которые излучались с помощью антенны. Антенна приемника воспринимала их, а затем они преобразовывались в звук.

Маркони позирует со своей ранней радиоаппаратурой

Несмотря на явный успех Маркони, другие инженеры говорили ему, что имеется предел дальности распространения радиосигналов. Они утверждали, что волны движутся по прямой линии, не учитывая кривизну земной поверхности, и потому просто растворятся в пространстве. Чтобы изобретение Мар-кони могло иметь реальное применение, ему пришлось проверить правдивость этих утверждений. 12 декабря 1901 г. он получил простое сообщение — букву S азбуки Морзе, посланную из Корнуолла, Англия, на остров Ньюфаундленд, Канада, — то есть на расстояние более 3220 км. Радиоволны отразились от ионосферы (сильно ионизированный слой атмосферы) и достигли места назначения. Этот успех обеспечил Маркони прочное признание. Однако не он, а канадец Реджинальд Фессенден разработал технологию передачи голоса, а не только азбуки Морзе. Используя вместо искрового передатчика Маркони передатчик с питанием от синхронного генератора, он в канун Рождества 1906 г. провел первую радиотрансляцию из Брант Рок, штат Массачусетс, — передал запись «Ларго» Генделя и публичное чтение отрывка из Библии.

Электрический телеграф

В 1830–1840-х гг. множество людей способствовало развитию электрического телеграфа, но самым известным из них был Сэмюэл Морзе. Его передатчик создавал электрические сигналы, которые передавались по проводам и преобразовывались приемником в звуковой сигнал. Морзе разработал язык щелчков — азбуку Морзе. В 1844 г. он отправил сообщение из Вашингтона в Балтимор. К 1866 г. через Атлантический океан были проложены телеграфные провода, чтобы связать США и Европу.

Flyer I

На протяжении многих лет люди летали на воздушных шарах, планерах, дирижаблях, но задача пилотирования моторных летательных аппаратов тяжелее воздуха оставалась нерешенной до тех пор, когда в 1903 г. братья Райт подняли в небо свою летающую машину в Китти-Хок, штат Северная Каролина.

В 1890 г. братья Уилбур и Орвилл Райт открыли магазин в Дейтоне, штат Огайо, где продавали и обслуживали недавно завоевавшие популярность «безопасные велосипеды». В 1896 г. они даже начали собирать собственные модели. Братья совершенствовали свои технические навыки по ремонту велосипедов, двигателей и других машин. Увлечение полетами привело их в 1900 г. к экспериментам с планерами. Прежде чем впервые поднять в небо управляемый планер с мотором, они хотели решить задачу управления безмоторным планером. Братья построили собственную аэродинамическую трубу для сбора данных по эффективности работы крыльев и протестировали 200 различных конструкций крыла. Величайшее достижение Райтов заключалось в открытии трех осей вращения — продольной (крен), поперечной (тангаж) и вертикальной (рысканье), — что позволило пилоту рулить и удерживать самолет в воздухе.

14 декабря 1903 г. Уилбур предпринял неудачную попытку полета, но уже 17 декабря Flyer I братьев Райт совершил четыре управляемых полета. Орвилл и Уилбур поочередно ложились на живот на крыло и пилотировали самолет. Орвилл был первым и сумел удержать самолет в воздухе в течение 12 с, за которые он пролетел 36,5 м. Последний полет этого дня (его совершил Уилбур) стал более впечатляющим: 259,7 м за 59 с.

Flyer I — биплан с деревянным каркасом, крыльями из хлопка и простым бензиновым двигателем. Цепной привод вращал его парные пропеллеры. Пилот управлял самолетом с помощью рычага, прикрепленного к бедрам, — так регулировалось положение задней кромки крыльев и разворачивался руль

После последнего в тот день полета порыв ветра опрокинул Flyer I, и больше он уже не взлетел. Однако это не остановило братьев. Они построили еще два варианта самолета, и в 1905 г. Уилбур продемонстрировал, что они действительно освоили управляемый полет: на Flyer III он пролетел окружность длиной 38,6 км, оставаясь в воздухе в течение 39 мин.

Через много лет после первых полетов эксперты доказали, что Flyer I был настолько неустойчив, что никто, кроме братьев Райт, не смог бы управлять им

«Эол» Адера

В октябре 1890 г. в Бри, Франция, французский инженер Кле-ман Адер пролетел 50 м на самолете «Эол». Необычайно легкий паровой двигатель, работавший на спирте, вращал пропеллер, в то время как сам Адер пилотировал самолет с крыльями, напоминавшими по форме крылья летучей мыши. Он поднялся всего лишь на 20,3 см над землей, но этот полет можно считать первым пилотируемым полетом на аппарате тяжелее воздуха. Позднее Адер утверждал, что он пролетел целых 100 м, но это никогда не было подтверждено.

Панамский канал

В 1913 г. в Вашингтоне президент США Вудро Вильсон дистанционно привел в действие взрывное устройство, заложенное за несколько тысяч километров в Панаме. Взрыв пробил отверстие в плотине и завершил строительство Панамского канала, связавшего Атлантический и Тихий океаны.

Значимость канала была огромной. Он избавил от необходимости огибать Южную Америку, чтобы проплыть от восточного побережья США к западному, сократив путь между Сан-Франциско и Нью-Йорком на 12 553 км. Хотя канал был коротким (77 км), его строительство стало очень непростым. В 1882 г. француз Фердинанд де Лессепс, который спроектировал Суэцкий канал, соединяющий Средиземное море с Индийским океаном, решил прокопать канал через перешеек на уровне моря — огромная по масштабам задача. Были задействованы более 40 000 рабочих, но тропические болезни унесли жизни 22 000 человек до того, как строительная компания обанкротилась.

В 1903 г. был подписан контракт между Колумбией (владевшей на тот момент Панамой) и Соединенными Штатами о постройке этого важного торгового пути. Главным инженером строительства стал майор армии США Джордж Гуталс. Более 6000 человек на протяжении 13 км сверлили и взрывали холмы, блокировавшие строительство канала. Ежемесячно вынимали около 3 млн т породы и почвы. С помощью плотин создали два больших искусственных озера в низинах, чтобы уменьшить объем работ. На одном конце канала три комплекта шлюзов поднимали корабли на 12,2 м над уровнем моря, а другие три набора шлюзов опускали их обратно на другом конце. Первый корабль совершил переход из одного океана в другой в январе 1914 г., всего в течение того года по каналу прошло около 1000 судов. Сегодня ежегодно по каналу проходит около 14 700 кораблей.

Финальная конструкция строительства Панамского канала включала лестницу из огромных шлюзов, поднимавших грузовые суда над уровнем моря, чтобы они могли совершить короткое путешествие через Панамский перешеек между Атлантическим и Тихим океанами

Судна, которые впритык вписываются в границы шлюзов Панамского канала, относят к классу «панамакс». Их буксируют в шлюзы специальные электровозы-«толкачи», которые перемещаются по рельсам вдоль берега

Танк

Оружие, сочетающее огневую мощь, подвижность и защиту, — старая мечта, которая стала реальностью в 1916 г., когда 49 британских «сухопутных крейсеров» атаковали немецкие траншеи.

В феврале 1915 г. первый лорд Адмиралтейства Великобритании Уинстон Черчилль создал «Комитет по сухопутным кораблям», чтобы найти инженерные решения тупиковых ситуаций, возникших во время Первой мировой войны. В начале 1916 г. был испытан первый прототип танка Mother, а в сентябре того же года впервые был использован в бою новый танк Mark I, работавший на бензиновом двигателе. У Mark I имелись замкнутые в кольцо гусеницы, способствовавшие передвижению по илистому грунту и траншеям, — основа успеха действий танка в сложнейших условиях. До конца войны бронетехника появилась у французов, немцев и американцев. За прошедшие с того времени девяносто лет танк сильно изменился, но базовые принципы остались теми же.

Восемь человек экипажа танка Mark I были защищены слоем толстой броневой стали и сражались с помощью двух пушек Six Pounder и четырех пулеметов

Автомагистраль

Понятие «скоростной автострады» было придумано американским градостроителем Эдвардом Бассетом в 1930 г. Он предложил создать дорогу с безостановочным движением машин, без дорожных знаков, пешеходов и перекрестков.

На автомагистралях не допускается движение иных видов транспорта, мешающее основному потоку машин, что повышает уровень безопасности и увеличивает скорость. Автомагистраль Bronx River Parkway, открытая в 1924 г., была первой в Северной Америке дорогой с разделительной полосой между противоположными направлениями. В 1930-е гг. в Германии была проложена сеть автобанов, а с 1950-х гг. подобные автомагистрали начали строить и в других странах мира. Дороги, пересекающие автострады, проложены либо по эстакадам, либо в подземных туннелях. Одна из самых оживленных автомагистралей — Хайвей 401 в Торонто, Канада, с 18 полосами для движения транспорта. Ежедневно по ней проезжают около 420 000 транспортных средств. В настоящее время в Китае построено 124 000 км автомагистрали — больше, чем в любой другой стране.

Сложно организованные перекрестки обеспечивают плавное и непрерывное слияние транспортных потоков

Телевидение

Телевидение было создано не одним человеком, однако наибольший вклад внес молодой шотландский изобретатель по имени Джон Лоуги Бэрд, который 2 октября 1925 г. передал в своей лондонской лаборатории черно-белое изображение.

Это было изображение куклы чревовещателя по имени Стуки Билл. Чтобы увидеть, как будет выглядеть лицо человека, Бэрд позвал работавшего этажом ниже 20-летнего Эдварда Тайнтона, и тот стал первым человеком, показанным по телевизору в полном диапазоне тонов. Изображение оставляло желать лучшего: при пяти кадрах в секунду движения выглядели дергаными, к тому же картинка составлялась из 30 вертикальных полос и потому была очень нечеткой. Но это уже был телевизор.

Прогресс общими усилиями

Бэрд не смог бы добиться этого результата без ряда предшествующих открытий. Немец Пауль Нипков создал диск для механического сканирования с небольшими отверстиями, через которые проходили фрагменты изображения и запечатлевались на светочувствительных ячейках. В 1896 г. французский физик Анри Беккерель показал, что свет может быть преобразован в электричество, а в следующем году немец Фердинанд Браун видоизменил электронно-лучевую трубку для получения изображения. Позже это изобретение легло в основу телевизионного экрана. Магнитное поле в вакуумной трубке отклоняло пучки электронов (или катодные лучи), благодаря чему Браун сумел создать светящиеся изображения на экране.

Рисунок из американского технического журнала Radio News 1928 г., в котором поясняется, как осуществлялись первые телепередачи

К 1935 г. телевизоры уже могли отображать сотни горизонтальных полос с частотой 30 кадров в секунду, что делало изображение гораздо более качественным. Все телевизионные программы транслировались в прямом эфире

Одновременно с Бэрдом многие инженеры в США, Германии, СССР и Японии соревновались между собой за право первыми создать телевизор. Бэрд добился успеха, соединив устройство наподобие диска Нипкова с ламповым усилителем и фотоэлементами. Эта механическая система использовалась до середины 1930-х гг., когда стали применяться методы электрического сканирования. Первая передача в цвете — «Шоу Эда Салливана» — вышла в 1951 г. Следующий значительный прорыв относится к 1990 г., когда появилось цифровое телевидение. В цифровом телевидении передача данных осуществляется очень эффективно, освобождая место для большего числа каналов.

Гидроэлектростанции

Для выработки электричества можно использовать энергию текущей воды. Первая гидроэлектростанция обеспечила питание всего одной лампы, но сегодня этим способом получают более 16 % мировой электроэнергии.

С древних времен люди использовали энергию воды, способность вод ного потока совершать работу. Например, водяные колеса мельниц вращали жернова, которые измельчали зерна в муку. Но лишь в конце XIX в. стало возможным преобразовать эту работу в электричество. В Крэгсайде, Великобритания, Уильям Армстронг построил первую в мире гидроэлектростанцию (ГЭС), которая обеспечивала энергией всего одну дуговую лампу. Очень быстро шло развитие в Северной Америке в 1880–1890-х гг., когда Томас Эдисон построил гидроэлектростанцию Vulcan Street Plant на реке Фокс, штат Висконсин. Она работала за счет вращения водяного колеса.

Дамба Гувера на реке Колорадо производит электроэнергию с 1936 г

Плотина «Три ущелья»

Электростанция «Три ущелья», построенная на китайской реке Янцзы, — крупнейшая в мире. Она использует энергию огромного резервуара воды, расположенного на высоте 181 м и сдерживаемого плотиной «Три ущелья». Длина водохранилища при полном заполнении — 660 км. При падении с высоты 110 м вода попадает на лопасти 32 гигантских турбин, которые производят 22 500 МВт электроэнергии. Строительство плотины началось в 1994 г., станция была полностью введена в строй в 2012 г.

Использование плотин

Количество производимой электроэнергии зависит от объема протекающей воды и высоты ее падения. Инженеры поняли, что, перекрыв реку дамбой, можно создать более высокий уровень воды и увеличить количество производимой энергии. Этот прием лежит в основе плотины Гувера, названной в честь президента США Герберта Гувера и возводимой под руководством его преемника Франклина Рузвельта. Она была построена в 1936 г. и представляет собой изогнутую бетонную дамбу высотой 221 м, установленную поперек ущелья реки Колорадо между Невадой и Аризоной. Бетона, пошедшего на ее постройку, хватило бы на двухполосное шоссе между Сан-Франциско и Нью-Йорком. Потребовалось целых шесть лет, чтобы заполнить водой ущелье над плотиной, при этом образовалось озеро Мид — водохранилище с самым большим объемом воды в США. Вода движется через шлюзные затворы, а затем падает вниз с высоты 180 м со скоростью 137 км/ч, приводя в движение турбины и генерируя 1345 МВт электроэнергии.

На тех же принципах основаны все крупные ГЭС. Когда в 1984 г. на реке Парана́ между Бразилией и Парагваем начала работу Итайпу́, она производила в десять раз больше электроэнергии, чем плотина Гувера. А еще через 20 лет в сети появилась информация о проекте «Три ущелья» (см. плашку выше). Сейчас ГЭС имеются в 150 странах, а в некоторых (например, в Норвегии, Демократической Республике Конго, Бразилии и Парагвае) этот возобновляемый источник энергии обеспечивает более 85 % потребности в электроэнергии. Пять крупнейших электростанций в мире — гидроэлектростанции.

Гидроаккумулирующая ГЭС

В гидроаккумулирующих электростанциях вода течет из верхнего резервуара в нижний, проходя через турбины и вырабатывая электроэнергию. В периоды низкого спроса на электроэнергию воду перекачивают в верхнее водохранилище, используя энергию от других источников. В целом эта система потребляет больше энергии, чем производит, но позволяет поддерживать уровень поступления электроэнергии во время высокого спроса.

Приливные электростанции

Другая форма гидроэлектростанций — приливные электростанции, в которых океанская вода вращает подводные турбины. Такое производство энергии прогнозируемо, потому что можно рассчитать приливные течения. Первая приливная электростанция была построена на реке Ранс, Франция, а самая крупная — в заливе Сихва, Южная Корея, где наступающая вода вращает десять турбин мощностью 25 МВт. Использование этого возобновляемого источника энергии пока еще находится на ранней стадии, но потенциал огромен.

Дирижабль

Дирижабль — это летательный аппарат легче воздуха, который способен передвигаться самостоятельно. Эпоха, когда дирижабли считались быстрым средством межконтинентальных перевозок, внезапно закончилась в мае 1937 г. с крушением дирижабля «Гинденбург».

Полеты стали возможны после того, как в ноябре 1783 г. пилотируемый воздушный шар братьев Монгольфье поднялся над Парижем. Но у воздушных шаров имелся очень большой недостаток: они летели туда, куда их гнал ветер, и регулировать можно было только высоту полета. Поиски способов ускорения и управления воздушным судном долгое время были безуспешными. Можно считать, что эпоха дирижаблей началась в 1852 г., когда французский изобретатель Анри Жиффар пролетел 3 км из Парижа в Эланкур на первом дирижабле, наполненном водородом (газом легче воздуха). Он был оснащен паровым двигателем, вращавшим винт. Двадцать лет спустя немецкий инженер Пауль Хенлейн создал усовершенствованную конструкцию дирижабля с полужестким каркасом, оболочка которого была герметичной благодаря внутреннему резиновому покрытию. Дирижабль был оснащен двигателем внутреннего сгорания, работавшим на угольном газе.

В 1933 г. дирижабль «Мэйкон» пролетел над Нью-Йорком. Это был летающий авианосец ВМФ США. Он нес четыре истребителя Sparrowhawk, которые могли вылетать в воздух, а затем возвращаться обратно, захватываясь «небесными крюками». «Мэйкон» и второй дирижабль, «Акрон», разбились в середине 1930-х гг. Во время катастрофы «Акрона» погибли 73 человека, что привело к закрытию программы дирижаблей в США

Крушение «Гинденбурга»

В мае 1937 г. в Нью-Джерси массивный пассажирский дирижабль «Гинденбург», наполненный водородом, загорелся при попытке пристыковаться к своей причальной мачте. Из 97 человек на борту погибли 13 пассажиров и 22 члена экипажа, а дирижабль был полностью разрушен. Эта трагедия транслировалась по радио в прямом эфире и ознаменовала конец эпохи пассажирских дирижаблей. Причины трагедии так и не были установлены.

Жесткая конструкция

В 1880-е гг. в конструкцию дирижабля было внесено множество улучшений. В 1883 г. француз Гастон Тиссандье совершил полет на дирижабле с электродвигателем, а затем в 1884 г. французский военный дирижабль «Франция» осуществил первый полностью управляемый полет. Дирижаблем управляли Шарль Ренар и Артур Кребс. Впервые воздушное судно приземлилось там же, где поднималось в воздух. Длина дирижабля «Франция» была 52 м, мощность электромотора — 8,5 л. с. Форма его внешней оболочки поддерживалась изнутри давлением водорода, а вдоль всего корпуса шел жесткий киль. Такой дирижабль называют полужестким.

Австрийский инженер Дэвид Шварц построил первый жесткий дирижабль, оболочка которого была укреплена внешним каркасом, что делало его прочнее, но и тяжелее. Он разбился в ноябре 1897 г. во время первого полета, однако идея Шварца была использована немецким графом фон Цеппелином, который сделал самые успешные дирижабли за все время их существования.

Гибридные дирижабли

Airlander 10 — крупнейшее в мире воздушное судно, его объем 36 812 куб. м. Он наполнен гелием, который легче воздуха и обеспечивает 60 % подъемной силы при взлете. Остальные 40 % создаются четырьмя дизельными двигателями по 350 л. с., которые позволяют дирижаблю двигаться со скоростью 148 км/ч. Судно может оставаться в воздухе в течение пяти дней и нести груз весом 10 т.

Воздушный круиз

Внешняя оболочка «цеппелинов» поддерживалась каркасом, имевшим вид решетки с треугольными ячейками, затянутыми тканью. Двигатели, экипаж, а позже и пассажиры размещались в гондоле, подвешенной под днищем. После Первой мировой войны эти воздушные суда, наполненные водородом, строились для воздушных круизов. Один из них — «Граф Цеппелин» — совершил в 1928–1937 гг. 590 полетов, пролетев более 1,6 млн км. В 1929 г. он совершил первое воздушное кругосветное путешествие, длившееся 21 день. В 1932–1937 гг. «Граф Цеппелин» осуществлял регулярные перевозки пассажиров, почты и грузов между Германией и Бразилией, находясь в пути 68 часов.

Управляемая «летающая сигара» Анри Жиффара, 1852 г

Другой цеппелин «Гинденбург» в 1936 г. начал регулярные рейсы между Европой и Северной Америкой. Первый сезон был успешным, но в 1937 г. произошла катастрофа. «Гинденбург» разбился и сгорел, продемонстрировав опасность горючего водорода. Эта трагедия фактически положила конец эпохе жестких дирижаблей. С 1950-х гг. их как средство перевозки пассажиров и грузов заменили крылатые самолеты, более быстрые и крупные. В настоящее время большинство дирижаблей являются нежесткими, наполняются гелием и используются для съемок и разведки.

Для хранения дирижаблей требовались огромные ангары

Радар

Кажется, что радар — это очень просто; радиоволны испускаются передатчиком со скоростью света, отражаются от предмета (обычно металлического) и улавливаются приемником, указывая на местоположение объекта.

Однако потребовались десятилетия экспериментов, чтобы получить достаточно точный радар, который можно было бы использовать. В 1903 г. немецкий изобретатель Кристиан Хюльсмайер изобрел «телемобилоскоп» для обнаружения кораблей в условиях тумана, тем самым предотвращая их столкновение. Хотя слово «радар» (сокр. от «radio detection and ranging» — радиообнаружение и измерение дальности) не использовалось до 1940 г., изобретение Хюльсмайера можно считать своего рода примитивным радаром. Он был способен только указывать направление на объект, но не расстояние до него. Для решения этой задачи потребовалось сделать несколько технологических открытий. Первым из них стало изобретение осциллографа, который мог рассчитать диапазон интенсивности отраженной волны. В результате появились специализированные приемники, которые улавливали отраженный сигнал и определяли по нему местоположение объекта и расстояние до него. Перед Второй мировой войной многие страны вели секретные разработки по настройке радара. В 1940 г. английские ученые Джон Рэндалл и Гарри Бут разработали полостной магнетрон, который мог испускать волны в СВЧ диапазоне. У этого прибора было два больших преимущества: он был способен обнаруживать более мелкие объекты и работал с помощью небольших антенн, которые можно было установить на носу самолета.

Радар принес бесценную пользу во Второй мировой войне, поскольку позволил увидеть надвигающиеся силы врага еще за горизонтом. Эта радиолокационная антенная решетка использовалась для того, чтобы уточнять прицел зениток

Микроволновая печь

Американский инженер Перси Спенсер был в шоке, когда СВЧ-излучение радара, с которым он работал, растопило шоколадный батончик у него в кармане! В 1946 г. он изобрел первую микроволновую печь. Волны СВЧ диапазона оказались способны колебать некоторые молекулы в пище, благодаря чему выделяется тепло и готовится еда. Первая микроволновая печь, достаточно маленькая для того, чтобы поместиться в кухне, была продана в 1967 г.

Ракетный двигатель

Ракета была изобретена вскоре после пороха, более 1000 лет назад. С тех пор многие люди фантазировали, как использовать мощность ракеты для космических полетов, но понадобилась война, чтобы фантазии стали реальностью.

Однако потребовались десятилетия экспериментов, чтобы получить достаточно точный радар, который можно было бы использовать. В 1903 г. немецкий изобретатель Кристиан Хюльсмайер изобрел «телемобилоскоп» для обнаружения кораблей в условиях тумана, тем самым предотвращая их столкновение. Хотя слово «радар» (сокр. от «radio detection and ranging» — радиообнаружение и измерение дальности) не использовалось до 1940 г., изобретение Хюльсмайера можно считать своего рода примитивным радаром. Он был способен только указывать направление на объект, но не расстояние до него. Для решения этой задачи потребовалось сделать несколько технологических открытий. Первым из них стало изобретение осциллографа, который мог рассчитать диапазон интенсивности отраженной волны. В результате появились специализированные приемники, которые улавливали отраженный сигнал и определяли по нему местоположение объекта и расстояние до него. Перед Второй мировой войной многие страны вели секретные разработки по настройке радара. В 1940 г. английские ученые Джон Рэндалл и Гарри Бут разработали полостной магнетрон, который мог испускать волны в СВЧ диапазоне. У этого прибора было два больших преимущества: он был способен обнаруживать более мелкие объекты и работал с помощью небольших антенн, которые можно было установить на носу самолета.

Запуск в 1944 г. ракеты Фау-2 с нацистской базы на побережье Балтийского моря

Годдард

После работы с ракетами на твердом топливе во время Первой мировой войны американский физик Роберт Годдард обратил свое внимание на жидкие виды ракетного топлива, поскольку они плотнее газов и, следовательно, нуждаются в резервуарах меньшего объема. 16 марта 1926 г. в штате Массачусетс он запустил ракету «Нейл», работавшую на топливе из жидкого кислорода и бензина. Она поднялась на высоту 56 м. Полет был недолгим, но ракета смогла взлететь — и это был первый полет аппарата на жидком топливе.

Вертолет

В апреле 1944 г. вертолет Сикорского R-4 Королевских военно-воздушных сил Великобритании был послан спасти выживших в авиакатастрофе в отдаленной части Бирмы. Операция прошла успешно, и польза вертолетов стала очевидной.

В XIX в. уже существовали летающие модели вертолетов, но не получалось создать достаточно большой аппарат, который мог бы нести человека. В 1920-е гг. в воздух был поднят автожир (гироплан). У него вместо неподвижного крыла имелся свободно вращающийся ротор. Двигатель толкал гироплан вперед, а ротор, закручивая воздушный поток, создавал подъемную силу. Первый настоящий вертолет Focke-Wulf Fw 61 был создан в 1936 г. Он был похож на автожир, только его двигатель вращал два винта во взаимно противоположных направлениях. Три года спустя американский изобретатель русского происхождения Игорь Сикорский впервые поднял в воздух вертолет VS-300. У него имелся трехлопастный винт диаметром 8,5 м, вращавшийся со скоростью 483 км/ч, а также рулевой винт на хвосте. Эта конструкция легла в основу последующих вертолетов.

В течение двух следующих лет двухместный аппарат Сикорского R-4 стал первым серийно выпускаемым вертолетом. Он прошел несколько изнурительных испытаний, пролетел без остановки 1225 км из Коннектикута в Огайо, достигнув скорости 145 км/ч и высоты 3658 м. В результате усовершенствования его конструкции был создан вертолет S-51. В 1946 г. Сикорский организовал гонки, начинавшиеся на его вертодроме в Коннектикуте. S-51 соревновался в скорости с самолетом, быстрым автомобилем и поездом на дистанции более 80,5 км и победил!

Современные вертолеты могут приземляться и взлетать вертикально, зависать, летать хвостом вперед и работать в переполненном воздушном пространстве. Крылообразные винты создают подъемную силу, при наклоне меняя направление тяги. Управление осуществляется с помощью изменения угла наклона отдельных винтов, которые вместе двигают самолет в новом направлении. Эта универсальность позволяет вертолетам передвигаться в местах, недоступных другим видам транспорта. Сегодня Chinook CH-47F может летать со скоростью 322 км/ч, а российский Ми-26 — нести груз более 20 т или 100 пассажиров.

Игорь Сикорский позирует на зависшем вертолете R-4

Реактивная сила

В 1930-х гг. два величайших пионера в области машиностроения — Фрэнк Уиттл в Великобритании и Ханс фон Охайн в Германии — независимо друг от друга разработали реактивный двигатель, способный приводить в действие самолеты. Оба варианта двигателя поступили на вооружение в июле 1944 г.

Фрэнк Уиттл, британский авиационный инженер, запатентовал идею турбореактивного двигателя в 1930 г., хотя эксперты в области авиации говорили ему, что это непрактично. Спустя несколько лет Уиттл создал фирму Power Jets Ltd., чтобы проектировать эти двигатели. Министерство авиации Великобритании восторженно отзывались о новинке, но предлагало очень небольшую финансовую поддержку, и разработка шла очень медленно.

Уиттл не знал, что в Германии Ханс фон Охайн экспериментировал с аналогичным двигателем, получая при этом хорошую государственную поддержку. Первые реактивные двигатели обоих изобретателей — Power Jets WU Уиттла и Heinkel HeS 1 фон Охайна — были успешно опробованы в апреле 1937 г. В 1939 г. двигатель Охайна был установлен на самолете Heinkel He 178, два года спустя двигатель Уиттла установили на самолете Gloster E28/39. Разработчики шли вровень, не уступая друг другу: истребители с реактивными двигателями в Германии и Великобритании поступили на вооружение практически одновременно в июле 1944 г.

Messerschmitt Me 262 был первым серийно выпускаемым реактивным самолетом. Его производство было развернуто в последние месяцы Второй мировой войны

Реактивные санки

Великий князь Кирилл Владимирович заплатил румынскому изобретателю Анри Коанде, чтобы тот в 1910 г. построил ему двухместные санки с мотором. Коанда разработал санки с «турбодвигателем», приводящим в движение многолопастный вентилятор, который гнал воздух в трубу, заставляя санки двигаться. Позже Коанда утверждал, что это был предшественник реактивного двигателя, но нет никаких свидетельств горения топлива в воздушном потоке и никаких доказательств того, что санки действительно двигались, хотя была заявлена скорость 161 км/ч! В том же году изобретатель построил самолет Coanda-1910, оснащенный «реактивным двигателем». Самолет так и не взлетел, поскольку сгорел на взлетной полосе. Тем не менее Коанда создал много успешных проектов самолетов с двигателями на основе пропеллера.

Пламя и сжатый воздух

После Второй мировой войны реактивные двигатели использовались для перевозки пассажиров и грузов. Современные реактивные двигатели гораздо мощнее, но работают на тех же принципах. Вентилятор засасывает воздух в переднюю часть двигателя, а компрессор повышает давление воздуха. Затем в сжатый воздух распыляется топливо, и искра воспламеняет смесь. Сгорающий сжатый газ сильно расширяется и вырывается из сопла, расположенного в задней части двигателя. Поскольку струи газа выстреливают назад, двигатель и самолет устремляются вперед.

Цифровой компьютер

Цифровой компьютер — это устройство, которое использует код из нулей и единиц для управления работой внутренних схем таким образом, что они могут манипулировать данными. Первые цифровые компьютеры были построены для выполнения сложных расчетов, но сегодня все мы знаем, что они могут делать намного больше.

Цифры 1 и 0 кодируют в вычислительной машине все числа. Аппаратная часть компьютера представляет собой сложную сеть переключателей. Программы компьютера определяют, какие из этих переключателей следует включить или выключить, и эти инструкции заставляют компьютер превращать входные данные в выходные. Так можно решить простую задачу вроде ввода чисел и вывода их суммы или же достаточно сложную, например введение сохраняемого кода, который затем преобразуется в телепрограммы или видео игры. Компьютеры начала XX в. были электромеханическими: механические переключатели физически открывались и закрывались с помощью электроэнергии.

ENIAC имел размеры 15,2×9 м, программировать его было очень сложно. Новая программа сначала писалась на бумаге, а затем требовалось несколько дней, чтобы переустановить переключатели или реле. Был ли этот компьютер программируемым? Да, но это была нелегкая задача!

В 1938 г. в ВМС США построили достаточно компактный компьютер, который помещался на подводной лодке и мог рассчитать траекторию торпеды для попадания в движущуюся цель. Эта программа была зашита в устройство, то есть компьютер мог выполнять только одну задачу. Следующим этапом было создание Конрадом Цузе в 1941 г. в Германии электромеханического компьютера Z3, который можно было запрограммировать для решения любой математической задачи.

Тьюринг

В 1936 г. британский математик Алан Тьюринг изложил свою теорию «универсальной машины» — устройства, которое может решить любые задачи. Оно произвело революцию в теории компьютеров. Во время Второй мировой войны Тьюринг сыграл ключевую роль во взломе немецких военных кодов; возможно, его работа сократила продолжительность войны. После войны он работал в Манчестере, занимаясь разработкой программного обеспечения для первого в мире программируемого компьютера. В 1952 г. Тьюринг был осужден за гомосексуальные действия, которые в то время в Великобритании считались преступлением. Приговор лишил его работы, и в 1954 г. он покончил с собой, съев отравленное яблоко.

Переход к электронике

В это же время инженеры экспериментировали с термоэлектронными лампами, используя их в качестве переключателей. Такой переключатель не имел механических деталей, лампа могла открывать и закрывать цепь в зависимости от того, пропускался ли по ней ток. Электронные устройства работали быстрее электромеханических. В 1946 г. был продемонстрирован первый цифровой программируемый электронный компьютер — ENIAC («гигантский мозг», как его называли в американской прессе). После программирования он выполнял до 385 умножений, 40 делений или до трех операций извлечения квадратного корня в секунду. ENIAC мог осуществлять условное ветвление, то есть изменять порядок выполнения действий на основе значений данных. Например, «если Y больше 10, то перейти к строке 26».

Термоэлектронные (вакуумные) лампы были разработаны по технологии обычных лампочек. Они часто перегорали, что нарушало работу компьютера

После создания ENIAC его конструкторы Джон Преспер Эккерт и Джон Мокли работали над более мощным компьютером EDVAC, в котором впервые использовалась двоичная система счисления (1 и 0), а не десятичная (от 0 до 9). В 1951 г. появился один из первых коммерческих компьютеров — UNIVAC 1. Их было выпущено всего 46 экземпляров, каждый стоил миллион долларов. Второе поколение цифровых компьютеров появилось в конце 1950-х гг., в них вакуумные трубки были заменены транзисторами на основе кремния. В компьютерах третьего поколения (конец 1960-х — начало 1970-х гг.) появилась интегральная схема, или «микрочип», состоящий из кремниевой пластины, на которую крепятся элементы. Интегральные схемы становились все сложнее, а компьютеры — компактнее и мощнее. Современные карманные компьютеры в миллиарды раз быстрее, чем ENIAC.

Ртутная память

В ранних компьютерах данные «запоминались» в виде линий задержки — гениальная система, придуманная Дж. Преспером Эккертом в 1940-х гг. Электрические импульсы от данных преобразовывались в звуковые волны и посылались через длинные трубки с ртутью (которые замедляли сигнал). На другом конце звуковые волны преобразовывались в электрические импульсы (с помощью кварцевого преобразователя), а затем снова отправлялись обратно в другую сторону по трубке с ртутью. Данные могли перемещаться по трубкам назад и вперед столько, сколько было необходимо, пока они не попадали на обработку компьютером. Одна линия задержки могла содержать 576 бит (код из 32 букв).

Ядерная энергия

Когда атомы изотопа урана-235 делятся, провоцируя цепную реакцию, выделяется ядерная энергия. В энергетических установках всего мира эти реакции используются для получения тепла, превращения воды в пар и вращения турбин для производства электроэнергии.

Люди познакомились с ядерной энергией относительно недавно. В 1896 г. Анри Беккерель открыл, что уран излучает таинственные лучи, а спустя несколько лет французская ученая польского происхождения Мария Кюри описала это явление, назвав его «радиоактивностью». В 1930-е гг. произошло много великих открытий в области атомной физики. В 1935 г. канадско-американский ученый Артур Демпстер обнаружил редкий уран-235 — единственный существующий в природе изотоп, который способен делиться, то есть при ударе нейтрона он распадается на два меньших атома. При расщеплении атома урана-235 высвобождаются нейтроны, которые расщепляют другие атомы урана, так что может образоваться быстро развивающаяся цепная реакция. При этой реакции выделяется огромное количество энергии, что лежит в основе атомной бомбы и атомной энергетики.

Первая промышленная АЭС была построена в Колдер Холле, Северная Англия. Четыре ее ядерных реактора вырабатывали электроэнергию в 1956–2003 гг., что делает их самыми долго работающими ядерными реакторами в мире

Испытание ядерного оружия «Тринити»

«Тринити» — кодовое название первого ядерного взрыва, который состоялся 16 июля 1945 г. неподалеку от Сокорро, штат Нью-Мексико. В ядре «Штучки», как называли бомбу, находилось 6,2 кг плутония, а также обычная взрывчатка. Энергия взрыва составила 20 000 т в тротиловом эквиваленте, при этом выделилось столько тепла, что песок пустыни расплавился и превратился в светло-зеленое стекло. В следующем месяце две подобные бомбы были сброшены на Японию, убив по меньшей мере 150 000 человек и заставив японцев капитулировать. Так закончилась Вторая мировая война. К счастью, с тех пор ядерное оружие больше не использовалось.

Приручение распада

Незадолго до Рождества 1938 г. немецкие химики Отто Ган и Фриц Штрассман совершили огромный прорыв в науке, впервые расщепив атомы урана нейтронами. На другой стороне Атлантики, в Университете Чикаго, в декабре 1942 г. итальянский физик Энрико Ферми продемонстрировал первую цепную ядерную реакцию. В его реактор Chicago Pile-1 (CP-1) было загружено 5,4 т металлического урана и 45 т оксида урана в окружении графитовых блоков. Эти блоки были необходимы для замедления скорости нейтронов до уровня энергии, необходимого для расщепления урана. СР-1 не произвел много энергии — ее хватило лишь на одну лампочку, — но этого было достаточно для доказательства того, что ядерная реакция может быть контролируемой.

Chicago Pile 1 был совершенно секретным объектом, построенным в рамках Манхэттенского проекта. Здесь создавалась атомная бомба, поэтому не существует фотографий этого объекта, только несколько рисунков

Атомное оружие

В начале 1940-х гг., когда бушевала Вторая мировая война, в США осуществлялся Манхэттенский проект, целью которого было создание атомной бомбы, использующей ядерную энергию. Это можно было сделать двумя способами. Во-первых, можно обогатить уран, то есть убрать из него относительно стабильный изотоп уран-238, что ускоряет цепную реакцию. Второй вариант — выделить из урана до той поры неизвестный радиоактивный элемент плутоний, что делает цепную реакцию более мощной. В 1945 г. огромная мощь цепной реакции второго типа была продемонстрирована способом, который ранее невозможно было представить. В июле 1945 г. в пустыне Нью-Мексико произошло испытание бомбы с плутониевым ядром. В следующем месяце урановая бомба была сброшена на Хиросиму, а плутониевая — на Нагасаки. Президент США Гарри Трумэн счел, что разрушения после взрывов должны дать понять японским лидерам, что они не могут выиграть войну, и тем самым спас союзников от японского вторжения.

Энергетика

После войны ученые задумались о том, как использовать ядерные реакции для получения электроэнергии. В декабре 1951 г. исследовательский реактор EBR-1 в Арко, штат Айдахо, произвел количество электроэнергии, достаточное для питания четырех 200-ваттных лампочек. Основной задачей этого реактора было доказать мнение Ферми о том, что ядерная реакция способна создать больше ядерного топлива. Это получилось, и реактор с плутониевым ядром стал известен как реактор-размножитель. Он не производит большого количества энергии, но ее хватает для снабжения энергией здания, в котором размещается реактор. Первая атомная электростанция открылась в 1954 г. в Обнинске, СССР. Ядерное топливо упаковывается в графит, как это делалось в CP-1. В активную зону реактора вводились металлические управляющие стержни, вбирающие излишки нейтронов. Поднятие управляющих стержней приводило к ускорению ядерной реакции и выделению большого количества тепла.

Сегодня примерно десятая часть мирового производства электроэнергии приходится на ядерные реакторы. В США и Франции этим способом получают бо́льшую часть электроэнергии. Самая большая атомная электростанция (АЭС) — Касивадзаки-Карива, Япония, она производит 8000 МВт электроэнергии.

Высокоскоростные частицы, вылетающие из ядерного топлива, при попадании в воду, охлаждающую реактор, порождают жуткое голубое свечение

Транзистор

Транзисторы — структурные элементы интегральных схем. Это важнейшие компоненты почти всех видов современных электронных устройств, от сотового телефона до кардиостимулятора, компьютера, самолета и телевизора.

Транзистор — это устройство, которое регулирует течение тока. Он действует как переключатель, регулируя движение электронов. Современные транзисторы состоят из трех слоев полупроводников. Полупроводники — это твердые материалы (кремний, германий), которые обладают высоким сопротивлением электрическому току, но не являются диэлектриками. При особом химическом процессе легировании в материал либо добавляются электроны, что создает полупроводник n-типа, либо отнимаются, тогда образуется полупроводник р-типа (n обозначает отрицательный заряд, а р — положительный). Транзистор может состоять или из слоя материала n-типа между двумя слоями р-типа (p-n-p), или наоборот (n-p-n). Небольшое изменение тока или напряжения во внутреннем слое полупроводника вызывает значительное изменение силы тока, проходящего через весь составной элемент. Транзистор может запускать и останавливать ток много раз в секунду, что делает его очень точным управляющим механизмом, идеально подходящим для использования в компьютерах.

В первом транзисторе в качестве полупроводника был использован германий. Это его точная копия, ее размер — приблизительно в половину кредитной карточки

Разработки Bell Labs

В 1947 г. Уильям Шокли, Джон Бардин и Уолтер Браттейн, работая в Bell Labs в Нью-Джерси, изобрели транзистор. За это достижение они позднее были удостоены Нобелевской премии по физике. Ранее в компьютерах и других сложных электронных устройствах для регулирования электронных сигналов использовались вакуумные лампы. Они были громоздкими и нередко перегревались, поэтому первые компьютеры были огромными и часто выходили из строя из-за перегоревших ламп.

В промышленности транзисторы впервые стали применять в 1952 г. в слуховых аппаратах, два года спустя — в радио. В 1959 г. на первом американском искусственном спутнике были использованы германиевые и кремниевые транзисторы. Примерно в то же время была разработана интегральная схема, позволяющая устанавливать комплект электронных схем на одном кремниевом чипе. С тех пор транзисторы стали намного меньше. В 2008 г. группа корейских инженеров выпустила транзистор размером всего в три миллиардные метра (3 нм)!

Микрочип представляет собой кусочек кремния с транзисторами, вытравленными на его поверхности и образующими интегральную схему. В современном микрочипе миллионы, а то и миллиарды транзисторов

Лазер

Лазер — устройство, которое заряжает энергией миллиарды атомов, заставляя их единовременно испускать свет, что создает очень сконцентрированный луч. Лазеры выполняют разнообразную работу в промышленности, медицине и мире развлечений.

В 1918 г. Макс Планк совершил открытие, которое сделало возможным создание лазеров: он обнаружил, что свет и другие виды излучения состоят из пучков энергии — фотонов. Много лет спустя ученый из Колумбийского университета Чарльз Таунс выдвинул идею «мазера» — машины, которая усиливает невидимые микроволны, а в 1957 г. сделал эскиз «оптического мазера». Его аспирант Гордон Гулд подал заявку на патент на устройство, усиливающее свет посредством вынужденного излучения (Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation — LASER).

Лазеры можно изготовить из кристаллов, газов и химических реакций. Это не просто красивые лучи: они применяются в медицине и косметологии, в сканерах и термометрах, в экстремальных холодильных устройствах и системах наведения

В 1960 г. Теодор Х. Майман на основе теоретических разработок Таунса, Гулда и других ученых построил первый лазер. Майман использовал большой кристалл рубина, концы которого имели зеркальное покрытие из серебра. Свет падал на рубин, «насыщая» его фотонами, которые возбуждали электроны в кристалле рубина. Возбужденные электроны переходили на более высокий энергетический уровень, а затем возвращались обратно, испуская много фотонов. Фотоны метались между зеркалами, их количество возрастало. Когда фотоны покидали кристалл, они образовывали мощный луч красного света. Основной принцип современных лазеров остался неизменным, а получающийся свет может быть любой длины волны, то есть любого цвета.

Лазеры производят когерентный свет из волн, которые колеблются практически одинаковым образом, благодаря чему можно очень точно направить поток лучей. Эти мощные лучи режут пластмассу, ткани и даже металлы. Они даже используются в хирургии как устройства, позволяющие резать и прижигать ткани. Лазеры также считывают данные с CD- и DVD-дисков, сканируют штрих-коды на кассах супермаркетов и используются в световых шоу.

Спутник

В рамках объяснения закона всемирного тяготения английский физик Исаак Ньютон описал пушечное ядро, которым выстреливают в космос, после чего оно снова и снова облетает Землю — иными словами, Ньютон описал спутник.

В 1957 г., через 290 лет после провидческого описания Ньютона, с неба передался слабый радиосигнал. Это был голос «Спутника-1», советского космического аппарата весом 84 кг — первого искусственного спутника, запущенного 4 октября 1957 г. «Спутник-1» продемонстрировал успех СССР в космической гонке — борьбе между сверхдержавами, вовлеченными в холодную войну, — которая способствовала развитию науки, хотя и была вдохновлена политическим соперничеством. Пока США пытались повторить успех СССР, в ноябре 1957 г. был запущен «Спутник-2», внутри которого находилась маленькая собака Лайка. Это показало, что живое существо может выйти на орбиту, и подготовило полет человека.

Спутники, в отличие от самолетов, не должны соблюдать законы аэродинамики и потому могут быть практически любой формы. «Спутник-1» выглядел как алюминиевый шар с четырьмя антеннами для отправки радиосигнала

Необходимо было значительно расширить диапазон космической техники. В 1945 г. Артур Кларк, английский писатель и ученый, описал будущее, в котором спутники будут по всему миру обеспечивать связь со скоростью света. Для этого спутники должны находиться на геостационарных орбитах, то есть космический аппарат должен вращаться с той же скоростью, что и Земля, оставаясь на одном и том же месте над поверхностью Земли на высоте 35 787 км. Такой вариант идеально подходит для отправки и получения радиосигналов.

В 1946 г. американский физик Лайман Спитцер-младший выдвинул идею размещения телескопов на околоземной орбите на высоте около 644 км. Это привело к появлению в 1990 г. космического телескопа «Хаббл». Метеорологические и разведывательные спутники, как правило, летают по орбитам, проходящим над полюсами, поэтому могут регулярно проходить почти над всей поверхностью Земли, в то время как навигационные спутники летают по средним околоземным орбитам на высоте 20 117 км, облетая Землю за 12 часов.

Проект «Эхо»

В 1962 г. спутник «Телстар» в прямом эфире передавал телевизионную программу между Европой и Северной Америкой. Однако первым спутником связи был огромный блестящий шар, заполненный воздухом, — «Эхо 1». Он был надут с помощью газового баллона на высоте 1600 км в 1960 г. Спутник работал как зеркало, отражая радиосигналы.

Удобрения

В 1789 г. Томас Мальтус предсказал, что возрастающая численность населения в конце концов превысит способность Земли снабжать всех людей продовольствием. Без нового источника пищи человечество будет обречено.

В последующие годы действительно случился ужасный голод, и большая часть растущего населения Земли страдала от недоедания. Однако в 1960-е гг. произошла «зеленая революция», были открыты технологии, которые помогли справиться с нехваткой продовольствия в развивающихся странах. Помимо создания новых сортов растений и более эффективных методов орошения, важным изобретением этой революции стало массовое производство химических веществ, что во многом было заслугой немецкого инженера-химика Фрица Хабера.

Удобрения вносятся в почву в виде порошка или жидкости. Они позволяют годами выращивать урожай на одном и том же месте, не делая перерыв для естественного восстановления ее питательных свойств

Процесс Хабера

В процессе Хабера азот и водород смешивают, нагревают примерно до 450 °C, а затем оказывают на них давление в 200 раз больше атмосферного. В этих условиях газы реагируют друг с другом благодаря наличию железного катализатора. Полученный аммиак охлаждается до жидкого состояния и сливается, а оставшиеся газы водорода и азота вновь участвуют в реакции.

Жизнеобеспечение

Все растения, в том числе употребляемые в пищу, нуждаются в источнике азота, который используется для выработки растительных белков. Азот в больших количествах содержится в воздухе, но растения не могут брать его оттуда, а поглощают из почвы в форме богатых азотом соединений. Когда эти соединения иссякают, почва становится неплодородной, и поэтому фермеры восстанавливают ее с помощью удобрений. На протяжении столетий это были естественные вещества, такие как навоз. В 1911 г. Фриц Хабер разработал процесс производства химических удобрений из воздуха — или, по крайней мере, извлечения из него азота.

Процесс Хабера позволяет производить аммиак (соединение азота и водорода), который может быть преобразован в удобрения. Фриц Хабер также разработал процессы синтеза ряда полезных химических веществ, в том числе взрывчатки. Примерно от трети до половины людей в мире избежали голода благодаря азотным удобрениям.

Нефтяная платформа

Когда в XIX в. первые скважины были исчерпаны, нефтяная промышленность искала новые источники нефти. Многие из них были обнаружены под морским дном, но это создало серьезные проблемы: как безопасно бурить в океане?

Около 1896 г. было выполнено первое шельфовое бурение с пирса, построенного у побережья Калифорнии. В 1930-е гг. впервые были использованы стальные баржи для бурения скважин в неглубоких прибрежных водах Техаса, а на расстоянии 4,3 м от побережья Луизианы была установлена первая неподвижная платформа. Бурение с кораблей далеко от берега было затруднительным, потому что суда часто переворачивались в неспокойном море. Был изобретен технологический прогресс, позволивший прикреплять буровые платформы к морскому дну на бетонных или стальных ножках, но на глубине не более 518 м.

Нефтяной бизнес

В 1859 г. Эдвин Дрейк пробурил первую нефтяную скважину в районе Тайтусвилля, штат Пенсильвания. К 1910 г. крупные нефтяные месторождения были обнаружены на Суматре, в Иране, Перу, Венесуэле, Мексике и Канаде. К концу 1950-х гг. нефть стала важнейшим видом топлива. В тройку крупнейших производителей нефти входят Саудовская Аравия, Россия и США, а 80 % мировых запасов нефти находятся на Ближнем Востоке.

Погружные платформы

Событие, случившееся в 1961 г. в Мексиканском заливе, произвело революцию в проектировании нефтяных платформ. Погружная буровая вышка Blue Water Rig № 1 в полупогруженном состоянии была отбуксирована в место, где ее опустили на дно океана. Инженеры заметили, что массивная установка оказывается очень стабильной, когда медленно плывет. Это легло в основу разработки нефтяных платформ, которые могли плавать, но были достаточно тяжелыми, чтобы оставаться устойчивыми в бурном море. Решение глубоководного бурения было найдено случайно! Спустя два года был запущен Ocean Driller — первая специально построенная полупогружная нефтяная платформа.

Современные полупогружные буровые платформы могут работать на глубине до 3048 м. Вышки, которые крепятся на морском дне, также устойчивы, но не могут работать на такой глубине. Есть и еще одна альтернатива — буровое судно. Оно гораздо менее устойчиво, но может бурить скважины на глубине 3658 м, поэтому обычно используется для разведки, а не для добычи.

Прочные колонны нефтяной платформы заполнены водой, поэтому они опускаются под ее поверхность. Так как бо́льшая часть массивного сооружения находится под водой, движение воды на ее поверхности не влияет на платформу

SR-71 Blackbird

Война значительно ускоряет развитие авиационных технологий, поскольку враги постоянно совершенствуют самолеты, чтобы обогнать конкурентов. В 1964 г. был построен самый быстрый пилотируемый самолет за всю историю авиации — и не для нападения на врага, а для защиты от него.

Благодаря развитию реактивных двигателей в 1940-х гг. самолеты достигли скорости более 900 км/ч, и перед инженерами встал новый вопрос: может ли самолет преодолеть звуковой барьер? Для этого нужно превысить скорость распространения звуковых волн в воздухе (около 1200 км/ч). Никто не знал, сохранит ли самолет на такой скорости свои аэродинамические свойства, будет ли он управляемым или помчится, вызывая разрушения. Было известно, что пуля преодолевает звуковой барьер, поэтому первый сверхзвуковой самолет Bell X-1 имел форму пули. 14 октября 1947 г. летчик-испытатель ВВС США Чак Йегер, управляя этим самолетом, установил мировой рекорд скорости. Но только через семь лет реактивные самолеты смогли преодолеть скорость звука. Главным нововведением стал форсаж, при котором сгорало дополнительное топливо, увеличивая тягу, которая проталкивала самолет через звуковой барьер. В 1954 г. ВВС США начали использовать сверхзвуковые самолеты F-100 Super Sabre, летавшие с максимальной скоростью 1390 км/ч. После этого ВВС всех развитых стран развернули строительство сверхзвуковых самолетов, самыми быстрыми из которых чаще всего бывают самолеты-перехватчики, которые должны обогнать противника.

SR-71 Blackbird имел радиопоглощающее покрытие, а его форма позволяла обмануть радар. При высокой скорости полета фюзеляж сильно нагревался и расширялся. Чтобы справиться с этим расширением, самолет делался так, чтобы во время его пребывания на земле между элементами конструкции имелись зазоры, из-за чего постоянно подтекало топливо

В 1964 г. был введен в строй новый вид суперскоростного самолета SR-71 Blackbird — безоружный самолет-разведчик, который на высоте 25 900 м мог залетать вглубь территории противника. Он мог обогнать любые запущенные против него сверхзвуковые ракеты, при необходимости развивая скорость втрое больше скорости звука (3 Маха). На полной скорости температура на поверхности самолета достигала 260 °C, и даже на внутренней части лобового стекла она была 121 °C. В 1976 г. SR-71 установил рекорд скорости для реактивных пилотируемых летательных аппаратов, разогнавшись до 3529,6 км/ч.

Интернет

Немногие технические новинки изменили мир так же сильно, как Интернет. Поначалу он задумывался как система безопасности для военной связи, но сегодня прочно вошел в гражданскую жизнь.

В 1940 г. Джордж Стибиц привязал свой Complex Number Calculator — электромеханический компьютер — к телефонной линии. На другом конце находилась клавиатура, и Стибиц мог управлять своим устройством удаленно. Компьютеров в современном виде тогда еще не существовало, но компьютерная сеть уже была изобретена.

Известно высказывание Томаса Уотсона, президента компании IBM, сделанное им в 1943 г.: «Я думаю, мировой рынок компьютеров составляет примерно пять штук». Сегодня компьютеризированных устройств, подключенных к Интернету, больше, чем людей на Земле, но Уотсон сказал это еще до появления даже самых примитивных цифровых компьютеров в 1946 г., так что его можно простить. В течение нескольких лет он действительно был не так уж далек от истины. В 1950-е гг. компьютеры были огромными, заполняли целые комнаты и стоили невероятно дорого, поэтому их было немного, и находились они далеко друг от друга. Их создавали как самостоятельные вычислительные машины, хранящихся в недрах компании HQs, и использовали для скучных задач по заказу крупных корпораций: расчет заработной платы, бухгалтерский учет, управление запасами и т. д. Никто не видел необходимости подключать эти устройства в сеть — до тех пор, пока американские военные в конце 1950-х гг. не начали создавать компьютерные системы противовоздушной обороны.

Карта сети ARPANET 1977 г. показывает, что в то время сеть соединяла воедино компьютерные узлы по всей континентальной части США. С Гавайями и Англией было установлено подводное соединение

Инженеры Интернета

Пакетная коммутация — технология, которая позволила создать Интернет, — была в 1960-х гг. изобретена независимо друг от друга Полом Бэраном в США и Дональдом Дэвисом (ниже) в Англии. Впрочем, была и другая ключевая разработка, ТСР/IP — протоколы (правила), по которым пакеты данных проходят по сети. Протокол TCP/IP был изобретен американцами Робертом Каном и Винтоном Серфом.

Модемы

Как и у Стибица, военные компьютеры были подключены к выделенным телефонным линиям. Для такой связи цифровые сигналы компьютера нужно превратить в слышимый звук, который можно передавать по телефонной линии так же, как голос. Это делалось с помощью специального устройства — модема (сокращение от «модулятор-демодулятор»). Первые модемы были разработаны для подключения к обычной телефонной трубке. Выходной сигнал поступал в микрофон, а входной выводился из наушника.

Arpanet

В 1960-е гг. стало очевидно, что компьютерная сеть противовоздушной обороны США уязвима для атак: поломка одной телефонной линии может сделать систему бесполезной. Поэтому Агентство перспективных исследовательских разработок (ARPA) создало сеть ARPANET. В ней соединение компьютеров осуществлялось с помощью распределенной сети, похожей на телефонную. Сигналы, передаваемые между компьютерами, находили свой собственный путь к месту назначения. Если один маршрут был заблокирован, сообщение могло выбрать другой. В этой сети использовалась новая коммуникационная технология — пакетная коммутация.

При пакетной коммутации содержание сообщения разбивается на пакеты, каждый из которых включает адрес принимающего компьютера и информацию о своем месте в исходном наборе данных. Пакеты передаются не единым непрерывным потоком данных в определенном порядке (так передача информации может прерваться из-за разъединения или помех), а независимо и в любом порядке. В пункте назначения принимающий компьютер собирает сигнал из всех пакетов и запрашивает недостающие.

Email-символ «@»

Первые электронные письма были отправлены в 1961 г., однако они могли передаваться только в замкнутых сетях, и при появлении Интернета эта система нуждалась в обновлении. В 1971 г. Рэй Томлинсон разработал систему, которая позволила сообщениям покидать одну сеть, или домен, и приходить в другую. Он использовал определение адреса в формате «имя@домен». В результате «@» стал очень распространенным символом. У него богатое прошлое: он фигурирует в греческой хронике 1345 г. (справа)! В 1900-х гг. этот символ был добавлен в стандартную клавиатуру печатных машинок как обозначение английского предлога at.

Сеть из сетей

ARPANET была создана в 1969 г., когда четыре университета США начали обмениваться сообщениями. Сеть неуклонно росла, и к концу 1980-х гг. другие сети слились с ARPANET для создания сети из сетей — Интернета. Он представляет собой физическую сеть из кабелей и узлов, по которым сигналы передаются в соответствии с набором правил (известных как TCP/IP). Изначально эта система использовалась для отправки электронных писем и передачи файлов, однако к 1990-м гг. новая технология World Wide Web сделала Интернет доступным для всех.

Более поздние модемы стали работать без разрыва данных, но принцип их работы остался неизменным, и более 30 лет они были необходимым компонентом для подключения к Интернету

«Аполлон»

Когда в 1961 г. стартовала программа НАСА «Аполлон», ее целью была «высадка человека на Луну и благополучное возвращение его на Землю». Восемь лет спустя «Аполлон-11» достиг этой цели.

16 июля 1969 г. огромная трехступенчатая ракета «Сатурн-5» стартовала с мыса Кеннеди во Флориде, унося космический корабль «Аполлон-11». Первая и вторая ступени ракеты, отработав, упали в океан. После недолгого пребывания на орбите Земли была включена третья ступень ракеты (S-IVB). Затем был сделан маневр перестроения отсеков: объединенные командные/служебные модули (CSM) отстыковались, развернулись и состыковались с лунным модулем, находившимся внутри S-IVB. После стыковки корабль отделился от третьей ступени и перешел на траекторию полета к Луне.

Иллюстрация НАСА, используемая для описания полезной нагрузки ракеты «Сатурн-5». Команда летела в командном модуле, а под ним располагалось все необходимое для того, чтобы достичь Луны и вернуться обратно

Космический корабль состоял из трех частей. Герметичный командный модуль был центром управления аппарата. В нем находились жилые помещения космонавтов и панель управления. Это единственная часть корабля, вернувшаяся на Землю. К командному модулю был присоединен негерметичный модуль с двигателями, основными воздушными резервуарами и запасом топлива, достаточным для выведения корабля на лунную орбиту и ухода с нее. Третьей частью корабля был лунный модуль.

Когда космический корабль оказался на лунной орбите, астронавты Нил Армстронг и Базз Олдрин посадили лунный модуль на поверхность Луны. В этом модуле была предусмотрена система жизнеобеспечения, позволявшая космонавтам безопасно находиться на Луне в течение четырех-пяти дней. Пока они находились на Луне, CSM под управлением третьего астронавта, Майкла Коллинза, оставался на орбите.

После того как лунный модуль снова пристыковался к CSM, корабль покинул лунную орбиту и направился к Земле. Служебный модуль был отстрелен перед входом в атмосферу Земли. На заключительной стадии полета остался только командный модуль с тремя космонавтами внутри, который совершил самостоятельную посадку на Землю. Теплозащитный экран предохранял его от сгорания, и 24 июля открылись парашюты и модуль приземлился на посадочной площадке в Тихом океане. В дальнейшем было совершено еще шесть полетов по программе «Аполлон», после чего в 1972 г. она была закрыта.

Схема лунного модуля «Аполлона»

Аэробус

В 1960-х гг. количество авиаперелетов значительно возросло. Число пассажиров возросло со 106 млн в 1960 г. до 200 млн в 1966 г. Авиакомпании выбивались из сил, пытаясь удовлетворить спрос, пока компания «Боинг» не создала свой аэробус Боинг-747.

С «горбом» на передней части самолета, двухпалубный Боинг-747 стал одним из наиболее узнаваемых самолетов в мире. Что еще важнее, он стал первым в мире широкофюзеляжным авиалайнером — в 2,5 раза шире самого распространенного лайнера 1960-х гг. «Боинга-707».

Эксплуатация

В январе 1970 г. между Нью-Йорком и Лондоном состоялся первый регулярный рейс этого гигантского аэробуса. Он настолько велик, что может перевозить 452 пассажира, размещенных в двух классах, но если не выделять первый класс, то поместятся 550 человек! Размах крыльев самолета — почти 60 м, а четыре реактивных двигателя на крыльях позволяют развивать крейсерскую скорость 893 км/ч. В расположенной в «горбе» верхней палубе можно сделать гостиную для пассажиров первого класса или дополнительные кресла. Самолет также может выполнять грузоперевозки, для чего нужно снять сиденья и использовать входную дверь на носу самолета.

С 1970-х гг. аэробусы и другие широкофюзеляжные авиалайнеры используются для перевозки большого количества пассажиров между крупнейшими аэропортами. Затем путешественники пересаживаются на небольшие самолеты местных авиалиний

Поначалу продажи гигантов шли медленно, и «Боинг» планировала построить не более 400 таких машин, но самолет завоевал успех. К марту 2016 г. было построено и продано более 1500 самолетов. Из всех моделей этого аэробуса сейчас для перевозки пассажиров чаще всего используется «Боинг-747–400», дальность полета которого — 13 438 км, а вместимость — до 660 человек.

«Еловый гусь»

Летающая лодка «Еловый гусь» (или H-4 Hercules) была предназначена для перевозки тяжелых грузов через Атлантику во время Второй мировой войны, но война закончилась раньше, чем машина была готова. Из-за ограничений военного времени на использование алюминия самолет был построен из древесины березы. У него был самый большой размах крыла по сравнению с любыми ранее построенными летательными аппаратами — 98 м. Хотя первый полет этого самолета в 1947 г. завершился успешно, больше он никогда не взлетал.

ЖК-дисплей

В 1970-е гг. жидкокристаллические дисплеи, или LCD, становятся небольшими и достаточно дешевыми, что позволяет использовать их в часах, игровых приставках и карманных калькуляторах. Сегодня LCD — самый распространенный тип экрана.

Жидкие кристаллы — это химические вещества, которые меняют свои оптические свойства под воздействием электрического поля. Точнее, они блокируют поляризованный свет — световой луч, в котором все волны колеблются в одной плоскости. Жидкокристаллический экран состоит из нескольких слоев. Нижний слой заполнен светоизлучающими диодами (LED), которые создают поляризованный белый свет. Этот свет проходит через слой жидких кристаллов, а затем через цветные фильтры. Если свет проходит через все фильтры, экран выглядит белым. Цветной рисунок можно получить, если по той же схеме наэлектризовать жидкие кристаллы. Они не дают свету пройти через некоторые фильтры, и в результате на экране появляются точки определенного цвета (или вообще без цвета).

ЖК-дисплей состоит из пикселей — чем больше экран, тем больше пикселей, а большее число пикселей и более плотное их размещение делает изображения более четкими. Каждый пиксель состоит из трех субпикселей: красного, синего и зеленого. Свет, поступающий от этих субпикселей, объединяется, создавая световые точки, из которых состоит изображение

Генная инженерия

В 1974 г. Рудольф Йениш создал первое генетически модифицированное животное — линию мышей, в которой все болеют лейкемией. Сегодня генные инженеры могут изменить гены любых организмов, они принимают участие в создании новых сельскохозяйственных технологий и в медицинских исследованиях.

В некотором смысле люди занимаются генной инженерией уже несколько тысяч лет. Наши культурные растения, породы скота и домашних животных являются результатом селекции, то есть люди меняли генетическую информацию других организмов, однако этот процесс занимал много поколений. В 1970-х гг. генные инженеры открыли способ ускорить этот процесс, добавляя в организмы новую ДНК. Это можно сделать различными способами. Например, можно выстрелить новой ДНК из генной пушки, и некоторые клетки смогут поглотить эту ДНК и выжить. Другой метод используют вирусы, которые встраивают свои гены в ДНК клетки-хозяина. Йениш создал вирус, который нес гены лейкемии, а затем заразил им мышей. Потомство этих мышей унаследовало эти дополнительные гены.

Три мышки, ни одна из них не слепа. Средняя мышь — дикая, а двум другим был внедрен ген медузы. Благодаря этому гену вырабатываются белки, которые светятся в темноте

МРТ

В 1977 г. было проведено первое полное сканирование тела с помощью магнитно-резонансной томографии (МРТ). В отличие от рентгена, на полученных снимках были видны как кости, так и мягкие ткани.

Рентгеновские сканеры используются с начала XX в. На организм направляется пучок высокоэнергичных рентгеновских лучей, бо́льшая часть которых свободно проходит через тело, и лишь плотные объекты (кости, зубы) тормозят их движение. По сути, скелет отбрасывает рентгеновскую тень, которую можно запечатлеть на фотобумаге в виде рентгеновского снимка. Рентген позволяет выявить переломы костей, но повреждения мягких тканей остаются незамеченными.

В каждой крупной больнице есть аппарат МРТ. Его применяют для исследования мозга, кровеносной системы, а также мелких элементов скелета и мышц. Он используется только в том случае, когда другие методы диагностики доказали необходимость его применения или когда они не смогли выявить проблему

В 1970-х гг. начали появляться другие методы диагностики. При ультразвуковом сканировании высокочастотные звуковые волны отражаются от внутренних органов. При компьютерной томографии рентгеновские лучи направляются на тело со всех сторон, чтобы создать более детальное двумерное изображение тела. Однако в большинстве случаев именно МРТ дает наилучшие результаты.

В МРТ-сканере находится мощный сверхпроводящий электромагнит, охлажденный до очень низких температур. Он создает магнитное поле, которое в 20 000 раз сильнее, чем поле Земли, разворачивая атомы водорода в теле (что совершенно безвредно). Затем машина посылает через намагниченное тело мощные радиоволны, из-за чего атомы снова меняют свое положение. Когда источник радиоволн выключается, атомы перестраиваются, излучая при этом собственные радиосигналы. Томограф улавливает эти сигналы и по их местонахождению строит изображение, на котором подробно видны внутренние органы. МРТ может создавать двумерные и трехмерные изображения.

Bagger 288

Землеройные машины, они же лопастно-колесные или роторные экскаваторы, создавались для работы в открытых карьерах. Они становились все больше и больше, пока в 1978 г. не был построен Bagger 288 (нем. «экскаватор»), ставший самой огромной наземной машиной в мире.

Перед гигантским экскаватором была поставлена поистине колоссальная задача — убрать огромное количество грязи и камней, чтобы добраться до ценных залежей бурого угля в карьере Хамбах, Германия. Для такой огромной работы требуется очень большая машина. Длина экскаватора Bagger 288 — 220 м, высота — 96 м. Диаметр колеса его ковшового ротора — 21 м, к нему крепятся 18 ковшей. Колесо зафиксировано на поворотной укосине, которую уравновешивает противовес, чтобы машина не опрокинулась.

Bagger 288 был первым в серии гигантских экскаваторов. Он работает до сих пор, хотя с момента его создания прошло почти 50 лет. В 2013 г. эта могучая машина использовалась как элемент индустриального пейзажа в фильме-антиутопии «Голодные игры: и вспыхнет пламя»

Для работы Bagger 288 необходимо 16,56 МВт электроэнергии. Каждый из 18 ковшей экскаватора вмещает до 6,6 куб. м породы, что позволяет машине ежедневно выгребать до 240 000 т угля — это все равно как вскопать футбольное поле на глубину 30 м. Таким количеством угля можно заполнить 2400 вагонов. Однажды по ошибке один из ковшей подхватил целый бульдозер!

Надстройка экскаватора опирается на три комплекта из четырех гусениц, каждая шириной 3,7 м. При перемещении на новое место работы машина двигается на этих гусеницах со скоростью до 10 м/мин. Конечно, Bagger 288 не смог бы выиграть ни одной гонки, но благодаря широким гусеницам его огромный вес (13 500 т) распределяется по достаточно большой площади. Экскаватор способен передвигаться по земле, по гравию и даже по траве, не оставляя глубоких следов. Когда в 2001 г. Bagger 288 полностью выработал угольный карьер в Хамбахе, его перевели в другое место. Чтобы добраться туда, ему пришлось преодолеть расстояние в 22,5 км, перейти реку Эрфт, проехать через автостраду и железную дорогу, а также пересечь несколько магистральных дорог. Это путешествие длилось три недели, его обеспечивала команда из 70 рабочих.

Супертанкер

В 1970-е гг. сильно вырос спрос на нефть. Она была необходима для получения бензина и химических веществ на нефтеперерабатывающих заводах, а также для работы некоторых электростанций. Но как перевезти большие объемы сырой нефти от месторождений к заводам?

Чтобы решить эту проблему, понадобились более крупные танкеры. Построенный на японской верфи в Йокосука супертанкер Seawise Giant («Морской великан») стал самым большим кораблем в мире: длина — 458 м, ширина — 69 м, вес при полной загрузке — 657 019 т. Он в 1,5 раза длиннее и шире, чем самый большой американский авианосец. Его винт весил 50 т, а гигантский руль — 230 т. Когда все 46 нефтяных резервуаров танкера были полны, нижняя часть его корпуса находилась на 25 м ниже поверхности воды.

Seawise Giant, самое большое судно за всю историю кораблестроения, буксируют для ремонта после катастрофы 1988 г. Он шел своим ходом — мощные паровые турбины двигателей танкера могли разогнать судно до 30,6 км/ч, но его тормозной путь до полной остановки составлял целых 8 км!

Из-за спора между судостроительной компанией и заказчиком Seawise Giant вошел в строй лишь в 1981 г. — на два года позже, чем планировалось. Из-за размера у судна есть некоторые проблемы — например, оно не может проходить через Суэцкий и Панамский каналы, а также по неглубокому Ла-Маншу.

В течение нескольких лет супертанкер работал в Мексиканском заливе, а затем в 1988 г. был переправлен в Персидский залив. В то время Иран и Ирак находились в состоянии войны, и когда корабль перевозил сырую иранскую нефть, он был атакован иракской военной авиацией. По такому огромному кораблю трудно промахнуться! Бомбы были спущены на палубу на парашютах, где и взорвались. На корабле вспыхнул пожар — и крупнейшее в мире судно потерпело крупнейшее в мире кораблекрушение. Невероятно, но после войны Seawise Giant был отбуксирован в Сингапур, перестроен и вновь вошел в строй — на этот раз называясь Happy Giant («Счастливый великан»). В течение следующих нескольких лет он бороздил Мировой океан и перевозил сырую нефть. За это время супертанкер назывался по-разному: Jahre Viking, Knock Nevis, Oppama, Mont. В 2010 г. корабль был списан.

Самолет-невидимка

В 1983 г. поднялся в небо сверхсекретный военный самолет. Мало кто знал о его существовании, а если он использовал технологию стелс, то его никто не мог увидеть. Это был F-117 Nighthawk — первый самолет-невидимка.

Термин «стелс» (англ. «скрытность») имеет специфическое значение в военном контексте — это технологии, направленные на то, чтобы сделать невозможной идентификацию воздушного судна, корабля или подводной лодки. Скрытность F-117 Nighthawk во многом достигалась за счет его формы, поэтому правительство США держало самолет в секрете вплоть до 1988 г. (к тому времени у ВВС США имелись более совершенные модели самолетов, например бомбардировщик-невидимка B-2 Spirit).

Для улучшения аэродинамических свойств поверхности обычных самолетов делают гладкими, а форму — округлой. Поверхность же F-117 состояла из множества плоских граней, а края кабины имели зазубрены. Из-за этого лучи радаров противника отскакивали в нескольких направлениях, не отображая самолет на экранах неприятеля. Воздухозаборники были покрыты сетками, рассеивающими радиолокационные сигналы, а выхлопные сопла распространяли горячие газы, что затрудняло попадание ракеты с тепловым самонаведением. Также скрытность достигалась за счет скорости и маневренности, летчики даже прозвали этот самолет «вихляющим гоблином».

У бомбардировщика В-2 Spirit весьма характерная форма, но его очень трудно обнаружить с земли с помощью радара. Четыре реактивных двигателя скрыты внутри крыльев, холодный воздух снаружи всасывается внутрь, чтобы охладить вылетающие из них выхлопные газы, поэтому самолет практически не оставляет теплового следа

У B-2 была совсем другая конструкция, которая держалась в секрете до 1989 г. Его «летающее крыло» делало его быстрее и аэродинамичнее, чем F-117, но при этом также помогало рассеивать сигналы радара в разные стороны. F-117 был снят с вооружения в 2008 г., а B-2 используется до сих пор. Стелс-технология применяется на боевых кораблях и на новых поколениях военных самолетов. Их изготавливают из материалов, поглощающих сигналы радаров или позволяющих им беспрепятственно проходить сквозь объект.

F-117 Nighthawk способен летать ночью. В 1999 г. один из этих самолетов был сбит ракетой, выпущенной днем и нацеленной просто на глаз

Всемирная паутина

Многие люди не делают различия между терминами «Интернет» и «Всемирная паутина», однако последняя была создана на 20 лет позднее Интернета. Благодаря ей компьютерные сети прочно вошли в нашу повседневную жизнь.

К 1989 г. Интернет разросся и стал компьютерной сетью, соединившей все континенты (кроме Антарктиды). Физически это была паутина из кабелей (по которым передавались данные) и серверов (которые направляли данные по адресам). Интернет переносил письма и мог быть использован для передачи больших файлов с одного компьютера на другой, что было очень удобно. Однако, говоря современным языком, это была технология «проталкивания», то есть владелец данных толкал их в сторону других пользователей, с которыми хотел ими поделиться. Если кому-то нужна была информация от другого человека, он должен был позвонить и попросить отправить материалы — если, конечно, знал, к кому обращаться.

Nexus, первый веб-браузер, был создан в 1991 г. и работал только на уже не существующих компьютерах NeXT. Кнопки «назад» и «вперед», которые сейчас есть во всех браузерах, впервые появились в 1993 г. в Mosaic, который стал основой для всех современных браузеров

В 1989 г. британец Тим Бернерс-Ли, руководивший группой ученых-компьютерщиков, работающих в ЦЕРНе (институте ядерной физики близ Женевы, Швейцария), — разработал способ обмена информацией путем «протаскивания» ее через Интернет. HTTP (протокол передачи гипертекста) позволил пользователям Интернета искать и смотреть информацию, хранящуюся на компьютере другого пользователя. В результате получилось то, что Бернерс-Ли описал как «Всемирная паутина». Поначалу на веб-страницах была только текстовая информация, но постепенно веб-страницы доросли до веб-сайтов, заполненных информацией всех видов.

Веб-сайты просматриваются с помощью специальной программы — браузера. Он загружает содержимое веб-сайта, хранящееся на удаленном компьютере. Пользователи переходят с одной страницы на другую с помощью гиперссылок — слов или зон, которые можно активизировать с помощью щелчка мыши. Гиперссылка была изобретена в 1945 г. американским инженером Вэниваром Бушем, но нашла свое применение лишь во Всемирной паутине. К 1990-м гг. были созданы первые системы поиска по содержимому веб-страниц, которые искали на страницах совпадающие термины. Затем в 1998 г. компания Google начала делать это по-другому…

Тим Бернерс-Ли сейчас возглавляет Консорциум Всемирной паутины (W3С), который контролирует стандарты программного обеспечения, используемого в сети

Литиевая батарея

Каждый раз, когда мы включаем мобильный телефон, планшет, ноутбук или цифровой фотоаппарат, мы используем удивительные свойства литий-ионных аккумуляторов. Они поражают своими небольшими размерами и многократностью использования.

Обычную «сухую» батарейку нельзя перезаряжать: она «садится», когда в результате химических реакций в ней заканчивается вещество. Такая использованная батарейка, в отличие от литиевой, становится источником химического загрязнения. Хотя изначально литиевые батареи несколько дороже, это быстро компенсируется их гораздо более длительным сроком службы (правда, и они изнашиваются со временем).

Английский химик М. Стэнли Уиттингем обнаружил явление интеркаляции — способности иона встраиваться в слоистое твердое вещество (например, графит) — и использовал его для создания аккумулятора. Литиевый аккумулятор состоит из двух электродов и электролита — проводящей среды между электродами, по которому могут перемещаться ионы лития. Отрицательным электродом обычно является графит, а положительным — соединение лития (чистый литий не используется, поскольку он чрезвычайно химически активен). Во время работы батареи (когда она разряжается) положительные ионы лития движутся от отрицательного электрода к положительному и оседают на нем. Во время зарядки происходит обратный процесс, и после полной зарядки батарея снова готова к использованию.

Литий-ионный аккумулятор для электромобиля

Добыча соли

Литий чрезвычайно химически активен, поэтому не встречается в природе в чистом виде. Его соединения можно получить из твердых горных пород, минеральных озер и морской воды. Считается, что Боливия обладает самыми большими в мире запасами лития, но ведущими его производителями стали Чили и Аргентина. Соленая вода, содержащая соли лития, добывается из подземного бассейна. При испарении воды на солнце (ниже) солевой раствор становится все более концентрированным. Затем его очищают, чтобы получить подходящие для аккумуляторов соединения.

Первые попытки

В первой перезаряжаемой батарее Уиттингема использовались электроды из литий-алюминия и дисульфида титана. Оба эти материала трудны в работе, поэтому аккумулятор оказался непрактичным. В конце концов химики остановились на литиевой основе для обоих электродов, и в 1991 г. были проданы первые литиевые батареи. Сейчас литиевые аккумуляторы используются очень широко: от небольших карманных устройств до мощных инструментов и электромобилей.

GPS

В 1994 г. на околоземную орбиту был выведен последний спутник системы GPS. Хотя изначально им пользовались только военные, всего за несколько лет эта система в корне изменила ориентирование людей в пространстве.

GPS расшифровывается как «глобальная система позиционирования» (определения местоположения). Поначалу она разрабатывалась в США для военной навигации и систем наведения, но позднее ее переделали для гражданского использования. Сегодня она лежит в основе автомобильной системы навигации, помогает нам ориентироваться и определять свое местонахождение. Система 1994 г. использовала комплекс из 24 спутников (сейчас их 32), которые движутся по средней околоземной орбите, их скорость в два раза больше скорости вращения планеты. К почти любой точке Земли, если только на пути нет гор или высотных зданий, в любой момент времени посылают радиосигналы по крайней мере три GPS-спутника.

Навигационные спутники все более заселяют космос. К американской GPS добавились российская система ГЛОНАСС, европейская Galileo, китайская BeiDou и индийская NAVIC

Каждый сигнал содержит время отправки и местоположение спутника. Радиосигналы распространяются со скоростью света, но даже при этой большой скорости существует разница между временем отправления сигнала и временем его получения. Эти крошечные задержки и позволяют определить точное расстояние до каждого спутника. Поэтому когда GPS-устройство (например, в автомобиле) получает сигнал, оно определяет, где и как далеко находятся спутники. Эти данные можно использовать для вычисления точного местоположения устройства на поверхности земного шара в радиусе нескольких метров.

Радиодальнометрия

До создания GPS навигаторам приходилось часто пересчитывать свое местоположение. В 1940-х гг. была разработана система радиодальнометрии LORAN. В ней использовалась сеть радиопередатчиков, которые посылали и принимали радиосигналы через точно отмеренные промежутки времени. Если знать расстояние между передатчиками, то можно рассчитать расстояние до них по времени передачи сигналов.

Оптический диск

В 1995 г. появился новый носитель информации — цифровой универсальный диск, или DVD. Это открытие позволило хранить на одном диске целый фильм.

Блеск диска возникает из-за слоя алюминиевой фольги

DVD был последним оптическим диском, а первый появился еще в 1960-х гг. Данные на оптическом диске считываются с помощью лазерного луча, на поверхности же диска есть спираль с ямками. При вращении диска лазерный луч двигается по спиральной дорожке, отражаясь от плоской поверхности и не отражаясь от впадин, поэтому узор из впадин передается соответствующими вспышками лазера. Детектор воспринимает наличие и отсутствие вспышки как единицы и нули компьютерного кода. Поначалу ямки на лазерных и компакт-дисках были довольно большими, на CD их размер достигал 800 нм. На DVD можно записать больше данных, потому что его впадины имеют размер 400 нм и располагаются в два слоя. На дисках Blu-ray, которые вытеснили DVD, впадин всего по 150 нм в поперечнике.

MPEG

На DVD фильмы пишутся в формате MPEG. Он позволяет уменьшить объем данных, поскольку от кадра к кадру хранятся только меняющиеся данные. Все остальное в фильме просто повторяется до тех пор, пока информация не изменится. Этот тип сжатия данных также позволяет быстрее передать видео высокого качества по Интернету.

Мост-туннель

XX в. был веком великих инженерных разработок. Редкое десятилетие проходило без строительства нового моста или туннеля, побивших рекорд длины. В июле 2000 г. была открыта новая 16-километровая переправа через пролив Эресунн на Балтике, которая является одновременно мостом и туннелем.

Пролив Эресунн — один из самых оживленных водных путей в мире. Он отделяет Данию от Швеции и является важнейшим связующим звеном между портами Балтийского моря (Гданьск, Хельсинки, Санкт-Петербург и т. д.) и всего мира. Копенгаген, столица Дании, находится на западном берегу Эресунна, а шведский город Малмё — на восточной. Несмотря на то что эти города относятся к двум разным странам, вместе они образуют крупнейший мегаполис в Скандинавии, поэтому было очень важно организовать между ними автомобильное и железнодорожное сообщение. Однако если построить обычный мост длиной 9 км, он будет блокировать движение грузовых судов, которые издавна ходят в этих водах, а также мешать турбулентным течениям, что может привезти к образованию слоя льда в узком проливе. Решение было непростым и довольно недешевым, но весьма элегантным: мост-туннель.

«Пеберхольм» означает «Перец-остров». Ему дали такое имя, потому что он лежит к югу от естественного острова Сальтхольм («Соль-остров»)

Мост

Эресуннский мост удивителен: это четырехполосное скоростное шоссе длиной 7,8 км, которое лежит поверх железной дороги. Бо́льшая часть моста поддерживается сваями, посередине находится самый большой пролет длиной 490 м, хотя он невелик в сравнении с пролетами некоторых подвесных мостов, которые больше в четыре раза. В Эресуннском мосте используются вантовые конструкции — пролет удерживается с помощью нескольких кабелей, закрепленных на башнях моста. (Устойчивость подвесных мостов вроде Бруклинского достигается за счет того, что кабели закрепляются на берегу с обоих концов и просто свисают с башен.)

Стоимость: 5,7 млрд долларов

Сроки строительства: 1995–1999 гг.

Длина:

• моста: 7845 м

• острова: 4000 м

• туннеля: 4050 м

Интенсивность движения: 17 000 автомобилей в сутки

На то, чтобы построить мост и туннель, потребовалось семь лет и 5,7 млрд долларов

Начавшись на шведском берегу, мост не достигает Дании. Вместо этого он упирается в искусственно созданный посреди пролива остров Пеберхольм. Остров сделан как огромный пандус длиной 4 км, по которому машины и поезда входят в туннель Дрогден, чтобы завершить переправу.

Туннель

Длина туннеля Дрогден примерно такая же, как и у острова, но туннель состоит из крупнейших в мире бетонных труб, утопленных в траншею, выкопанную в неглубоком морском дне. Грунт, вынутый при выкапывании траншеи, пошел на создание острова Пеберхольм.

МКС

С 2000 г. Международная космическая станция (МКС) играет роль обитаемой лаборатории, обсерватории и фабрики. Она вращается вокруг Земли на высоте более 330 км. Это совместное предприятие космических организаций США, Европы, России, Японии и Канады.

Первый компонент МКС был введен в эксплуатацию в 1998 г., с тех пор к нему добавилось много других модулей. Первый постоянный экипаж станции (первая экспедиция) был доставлен на орбиту российским кораблем «Союз» 2 ноября 2000 г., и с тех пор, как правило, на станции постоянно работает экипаж из шести ученых. Они провели множество различных тестов, в том числе изучили работу человеческого тела в невесомости и техники — в космосе. На МКС побывали космонавты и космические туристы из 17 стран. Станцию обслуживают прилетающие космические аппараты, в том числе космические шаттлы НАСА, российский корабль «Союз» и беспилотный космический корабль «Дракон» компании SpaceX.

МКС с шаттлом, пристыкованным к американскому сегменту станции

Салют

«Салют-1» был первой в мире пилотируемой космической станцией. Он был выведен на орбиту Советским Союзом в апреле 1971 г., в июне на его борту находилась команда из трех человек. Они пробыли там 23 дня, имея постоянный контакт с Центром управления полетами. К сожалению, все трое погибли от удушья во время возвращения на Землю. Было еще несколько «Салютов» до остановки программы в 1986 г. Последний из них — «Салют-7» — находился на орбите в течение восьми лет и десяти месяцев, на нем достаточно долгое время работали десять экипажей.

История станции

Первый модуль МКС «Заря» был выведен на орбиту российской ракетой «Протон» в ноябре 1998 г. «Заря» обеспечила силовые установки, систему коммуникаций и источник электрической энергии, но не имела систем долгосрочного жизнеобеспечения. Спустя две недели шаттл «Индевор» доставил еще один модуль — «Юнити», который был прикреплен к «Заре» астронавтами в открытом космосе. На этом этапе на космической станции еще не было экипажа. В июле следующего года к паре «Заря» — «Юнити» пристыковался модуль «Звезда». В нем находились спальные помещения, туалет, кухня, тренажеры и генераторы кислорода — этого достаточно для жизни людей на постоянной основе. Двигатели «Звезды» также используются для коррекции орбиты — маневра, который поддерживает МКС на орбите высотой от 330 до 435 км. Ежедневно станция облетает Землю 15,5 раз.

Позднее были установлены сегменты ферменной конструкции, к которой были подключены различные устройства, в том числе солнечные батареи, ставшие основным источником энергии, и радиаторы, позволяющие избавиться от излишков тепла. На МКС было добавлено много дополнительных секций, но в 2003 г. произошла катастрофа шаттла «Колумбия», после чего последовал вынужденный перерыв до 2006 г. После возобновления работ число модулей увеличилось до 15, была удлинена ферменная конструкция. Есть планы присоединить к станции еще пять модулей.

Для работы станции используется солнечная энергия, а также перезаряжаемый аккумулятор, работающий 35 минут из каждых 92 минут пролета по орбите, когда Солнце затмевается Землей. Еду доставляют в вакуумной упаковке, ее едят с помощью ножа и вилки, но крепят на поддон магнитами, а то уплывет! Напитки пьют из пластиковых мешочков с трубочками.

Жизнь в космосе

Космонавты на МКС спят в спальных мешках, чаще всего в собственных небольших каютах. В условиях невесомости им приходится прикреплять спальные мешки к стене, чтобы не позволить им свободно плавать. Жалюзи закрывают окна, чтобы создать «ночь», ведь на самом деле из-за орбитальной скорости на МКС за 24 часа бывает 16 периодов дневного света и 16 периодов ночной тьмы. Стандартный рабочий день длится десять часов по будням и пять часов в выходные дни.

Пальмовые острова

В Дубае, богатом нефтью городе на берегу Персидского залива, земля у моря ценится на вес золота. Этот стремительно развивающийся мегаполис, позиционирующий себя как туристический рай на тот случай, когда нефть закончится, нашел решение проблемы — построить больше береговой линии.

Дубай — один из семи эмиратов, каждым из которых правит эмир, а вместе они образуют Объединенные Арабские Эмираты (ОАЭ). Территория ОАЭ составляет крошечную часть Аравийского полуострова, а сам Дубай владеет береговой линией длиной всего 64 км. В 1990-х гг. был подготовлен проект, призванный изменить это положение путем создания огромных искусственных островов.

Чтобы увеличить длину искусственной береговой линии, инженеры обратили взор на природу. Было принято решение придать островам форму пальмы, многочисленные листья которой обеспечат километры частных пляжей и роскошных курортов. В планах были три острова, которые увеличат береговую линию Дубая на 580 км. В 2006 г. было завершено строительство первого острова — Пальмы Джумейра, второй был почти построен, а третий — преобразован в полуостров.

Листья Пальмы Джумейра окружает круговой волнолом, который защищает остров от штормов. В нем сделаны небольшие зазоры, чтобы позволить воде циркулировать вокруг «ветвей»

Пальма Джумейра сделана из 94 млн куб. м песка и камней, это крупнейший в мире искусственный океанский остров. Первоначально планировали использовать песок пустыни (которого в Дубае предостаточно), но оказалось, что с донными отложениями легче работать. Из гидронамывного песка создавали насыпи, форму острова отслеживали с помощью GPS. Эту основу покрывали пластиковой сеткой, поверх которой добавили камни и еще больше песка. Затем песок обработали с помощью струй воды, чтобы он спрессовался — примерно так же, как трясут хлопья в коробке.

Смартфон

Смартфон — портативное устройство, сочетающее в себе сотовый телефон и персональный компьютер. Современные смартфоны имеют доступ к Интернету, возможность отправки электронных писем, цифровые камеры с функцией видеозаписи, медиаплееры и навигационный блок GPS.

За последние три десятилетия произошли удивительные изменения нашего способа общения друг с другом. До начала 1980-х гг. существовала только проводная телефонная связь. В 1983 г. компания Motorola выпустила беспроводной сотовый телефон, который использовал технологию радиосвязи для обмена голосовыми сигналами с сетью антенн. Каждая антенна обслуживала определенную зону, и при перемещении абонента его телефонный звонок автоматически перемещался в другую зону. Антенны были подключены к проводной телефонной сети, которая передавала звонок на ближайшую антенну той области, где находился другой абонент. Первые мобильные телефоны были большими и тяжелыми, они могли только звонить. Сегодня мы могли бы счесть их тупыми.

Коммуникатор Simon

Первым смартфоном был персональный коммуникатор Simon, изобретенный Фрэнком Дж. Кановой-младшим и выпущенный в ноябре 1993 г. Он весил 510 г, совмещал функции сотового телефона и карманного персонального компьютера (КПК) и имел сенсорный экран с иконками, на которые можно нажимать стилусом. Он позволял совершать телефонные звонки, а также отправлять и получать электронную почту и факсы. В Simon также имелись адресная книга, календарь и калькулятор.

Телефоны умнеют

В 1993 г. IBM выпустила Simon — первый смартфон (хотя тогда его никто так не называл). Технологии мобильной связи быстро развивались. Было создано так называемое второе поколение сетей, в котором обрабатывались сигналы в цифровом формате. Телефоны стали меньше, их батареи — лучше. В 1999 г. в телефон впервые был встроен MP3-плеер, затем появились телефоны с камерами (причем качество изображения постоянно улучшалось). Особенностью телефонов третьего поколения (3G), появившихся в начале XXI в., стал доступ в Интернет.

В 2007 г. iPhone фирмы Apple произвел революцию в мире межличностных коммуникаций. Это был первый коммерческий сотовый телефон с мультитач-интерфейсом: сенсорный экран распознавал более одной точки контакта, и пользователь мог движением пальцев увеличить или уменьшить масштаб изображения. С 2012 г. доступ к высокоскоростной мобильной широкополосной связи стал привычным явлением. Сейчас инженеры пытаются разработать складные экраны, чтобы смартфоны стали меньше и легче. Аккумуляторы телефонов будущего смогут подзаряжаться без проводов с помощью радиоволн.

Особенностью всех смартфонов является наличие программируемых клавиш. Вместо физической клавиатуры и кнопок пользователь управляет телефоном, касаясь изображений на экране. Эти картинки меняются в зависимости от команд: могут появляться цифры для набора номера, буквы — для набора текста, иконки — для запуска приложений

Дрон

Военные самолеты всегда стоили очень дорого и ценились высоко. Однако самое ценное в самолете — пилот. В беспилотных летательных аппаратах — дронах — нет пилотов, и поэтому их можно отправить на более длительное и рискованное задание.

Преимущество дронов было очевидно с первых дней существования авиации. Первым полноразмерным беспилотником был самолет-снаряд «Фау-1». Это немецкое оружие времен Второй мировой войны могло лететь по прямой линии в течение заранее установленного времени, а затем падать с неба на цель.

Беспилотники следующего поколения были немного больше моделей самолета и оснащались оборудованием для слежения. Ими управляли по радио с земли, что ограничивало дальность полета. Со временем дроны становились все больше и больше, пока не сравнялись размерами с обычным самолетом. Ими управляли уже при помощи спутниковой связи. Находясь на земле, экипаж мог направить беспилотник в любую точку планеты и получить видеосъемку территории с высоты птичьего полета. Одним из первых таких дронов был Predator, который поступил на вооружение в 1990-х гг. и мог оставаться в воздухе в течение суток.

Полицейские дроны

Гражданские дроны, с которыми часто играют в городах, представляют собой все возрастающую проблему. Они могут оказаться на пути самолетов, с их помощью подглядывают на частные и охраняемые территории. Полиция в Японии для сбивания незаконных дронов использует беспилотники с сетями, а в Нидерландах — специально обученных орлов!

Самолет-робот

В 2007 г. был введен в строй Reaper — следующий шаг в технологии дронов. Он был быстрее и мощнее, чем Predator, а также мог летать самостоятельно, используя датчики для перемещения по заданному курсу, без управления с базы. Эта технология сейчас начинает использоваться для гражданских и даже развлекательных целей. В 2014 г. появилось сообщение о китайском E-hang UAV. Пока еще он находится на стадии разработки, но предполагается, что с одним пассажиром он сможет летать в течение 20 мин со скоростью 97 км/ч. Пассажир не будет управлять полетом, но сможет выбрать траекторию и точку назначения. Дрон летает благодаря восьми роторам, каждый из которых имеет отдельный источник питания, что уменьшает вероятность поломки двигателя.

General Atomics MQ-9 Reaper может взлетать и садиться по командам с пульта дистанционного управления или автономно. Беспилотник также можно запустить в воздух с пилотируемого самолета

Электронные чернила

В конце 2000-х гг. появились электронные чернила (E-ink) и электронная бумага, изменившие представление о книге. После многих лет проб и ошибок электронные книги наконец-то стали такого же размера и веса, как и бумажные.

Идея создать электронное устройство, на экране которого отображается текст, очень привлекательна: на нем можно сразу же увидеть любую страницу любой книги — явное преимущество перед бумажной книгой. В 1980–1990-е гг. все шире распространялись вычислительные устройства, их размер становился все меньше, но почему понадобилось столько времени, чтобы экраны смогли конкурировать с бумагой? Некоторые причины очевидны: для чтения бумажной книги не нужно электропитание, не нужно подключаться к компьютеру, чтобы скачать книги.

Электронная бумага

Потребовалось некоторое время, чтобы преодолеть все эти проблемы: создавались все более емкие батареи, широко распространилась беспроводная связь. К середине 2000-х гг. все это было решено, однако оставался один очень важный вопрос: как сделать экран, который не оказывал бы негативного влияния на зрение? Жидкокристаллический дисплей (как у компьютеров, планшетов и телефонов) не подходит для длительного чтения, потому что он излучает свет, что напрягает глаза. Текст на бумаге мы видим благодаря отражению света от страницы — это гораздо более приятно для глаз и позволяет читать в течение долгого времени.

На электронной книге удобно читать неподвижный текст. Однако обновление экрана с электронными чернилами идет гораздо медленнее, чем у жидкокристаллического дисплея, поэтому такой экран не может показывать движущиеся изображения или использоваться в качестве интерактивного устройства

К 2008 г. была усовершенствована альтернативная технология — электронная бумага, которая отражает свет, как и обычная бумага. Она работает за счет специальных капсул с черными и белыми частицами и маслом. Типичный экран электронной книги содержит около 800 000 капсул. Черные частицы имеют отрицательный заряд, а белые — положительный. Через капсулы также проводят электрический заряд: отрицательный заряд капсулы отталкивает отрицательные черные частицы, выталкивая их на поверхность экрана, что создает черные точки, при положительном аналогично получаются белые точки. В результате комбинация зарядов создает соответствующее черно-белое изображение, где черные точки объединяются в текст, а белые образуют фон.

Электронные чернила состоят из крошечных черных и белых частиц, диаметр каждой из них около 1 мкм

Бурдж Халифа

Для определения самого высокого сооружения используются разные параметры, что привело к составлению нескольких различных списков самых высоких зданий, отдельно стоящих башен, мачт и т. д. Но построенный в 2010 г. небоскреб Бурдж Халифа превзошел их всех.

Еще в 2007 г. недостроенный Бурдж Халифа стал самым высоким зданием в мире. Когда в 2010 г. небоскреб был завершен, его башня вознеслась в небо на 800 м над Дубаем.

Цветок пустыни

Понадобилось всего шесть лет, чтобы построить башню («бурдж» по-арабски означает «башня»). Ее конструкция была навеяна формой цветка пустыни — нильской лилии. По первоначальному плану башня имела высоту 808 м, но ее боковой вид был признан слишком неэлегантным, поэтому было принято простое решение — сделать башню еще выше! Полная высота небоскреба — 830 м, в ней 163 этажа. Для ее строительства потребовалось более 110 000 т бетона, 55 000 т арматурной стали и команда из 12 000 рабочих. (Правда, похоже, что рекорд продержится недолго — когда в соседней Саудовской Аравии будет достроена башня Джидда, ее высота будет 1 км!)

Шпиль башни виден с расстояния 97 км

У башни есть три крыла, сужающиеся к вершине, что делает огромное здание достаточно прочным. По сути, это несколько небоскребов разной высоты, соединенные вместе. «Лепестки» конструкции не только придают зданию дополнительную прочность, но и увеличивают площадь наружных стен, поэтому жители всегда имеют выход к окнам. Поверхность внешних стекол равна площади 20 футбольных полей. Из 24 348 окон большинство оснащены системами автоматической мойки, однако верхние 54 этажа необходимо очищать вручную — на это уходит около четырех месяцев!

Высокий подъем

Гигантский небоскреб — это настоящий автономный город. Он вмещает 35 000 человек в 1000 квартирах, офисах и гостиницах. Башня рекордной высоты нуждается в соответствующих лифтах. Лифт, идущий от уровня земли до 140-го этажа, движется со скоростью 10 м/с. Подъем на публичную смотровую площадку (124-й этаж) занимает чуть больше минуты. Как и во всех небоскребах, в Бурдж Халифе есть возможность добраться до любой точки с помощью лестницы. К вершине ведут 2909 ступенек. В 2011 г. Алену Роберу, независимому французскому скалолазу, известному как «Человек-паук», понадобилось шесть часов, чтобы подняться вверх по внешней стене здания. Вскоре после этого Наср аль-Нияди и Омар аль-Хегелан прыгнули со 160 этажа, совершив самый высокий прыжок с парашютом с неподвижного объекта.

Топливный элемент

Идея преобразования химической энергии в электричество, при котором единственным отходом будет только вода, не нова. В наши дни она применяется для энергоснабжения домов, резервных источников питания и электромобилей.

Еще в 1838 г. валлийский физик Уильям Гроув создал экспериментальный топливный элемент, но только в 1950-х гг. была произведена первая коммерческая модель. В 1991 г. американский ученый Роджер Биллингс разработал топливный элемент, который можно использовать для питания электромобилей, а к 2010 г. в эксплуатацию было введено несколько электромобилей.

Существуют различные типы топливных элементов, но у всех имеется положительный и отрицательный электроды (анод и катод), а между ними — электролит. Большинство топливных элементов работают на водороде и кислороде. Атомы водорода подаются на анод, где они реагируют с катализатором (обычно это порошок платины). Каждый атом водорода теряет свой единственный электрон, который проходит по внешнему контуру, создавая электрический ток. Без электрона атомы водорода становятся положительными ионами и движутся через электролит к катоду. На катоде они вступают в реакцию с электронами и кислородом, образуя отход производства — воду, которая вытекает из аппарата. Очень важен правильный выбор электролита: он должен пропускать только положительные ионы водорода. Таким электролитом может служить гидроксид калия, фосфорная кислота или соли.

Экспериментальный топливный элемент, используемый в исследованиях по повышению эффективности

НАСА активно использует топливные элементы для производства электроэнергии на космических кораблях. На фото топливный элемент извлекают из грузового отсека космического челнока

В отличие от батарей электрохимические генераторы требуют постоянной подачи топлива (обычно это водород) и кислорода, чтобы поддерживать химическую реакцию. Однако в них нет движущихся частей и не происходит горение, поэтому в идеальных условиях их надежность достигает 99,9999 %. У топливных элементов есть и еще одно преимущество: они не загрязняют окружающую среду. Одно из самых впечатляющих использований топливных элементов — электромобили. Сейчас уже производится несколько моделей таких машин, в том числе Toyota Mirai, которая может пройти без дозаправки около 502 км. Время заправки такой машины — 3–5 минут, после чего она за девять секунд может разогнаться до 97 км/ч. В Японии уже есть «водородное шоссе» с водородными заправочными станциями.

Беспилотный автомобиль

Люди мечтали о создании беспилотных автомобилей еще в 1920-х гг., но эта мечта смогла реализоваться только с появлением компьютеров. В 2011 г. Невада стала первым американским штатом, разрешившим такие автомобили на общественных дорогах.

Работа над автомобилями с компьютерным управлением началась в университете Карнеги — Меллон в Питтсбурге, США, в 1984 г. Несколько крупных производителей машин, в том числе Mercedes-Benz и General Motors, построили собственные прототипы беспилотных автомобилей. Затем над созданием беспилотного автомобиля Google стал работать Себастьян Трун, бывший директор лаборатории искусственного интеллекта Стэнфордского университета.

Сегодня Google имеет целую автотранспортную фирму, занимающуюся серийным и заказным производством автомобилей с программой «Личный шофер». Автомобили оснащены GPS и способны следовать по запрограммированным маршрутам. Датчики распознают дорожные знаки, сигналы светофоров, другой транспорт и пешеходов. Если на светофоре включается красный свет, датчики улавливают его и машина останавливается в положенном месте. С помощью лазеров определяется расстояние до других объектов, что позволяет автомобилю держать безопасную дистанцию. Система поддерживает функцию ручного управления, которой человек-водитель может воспользоваться в любой момент. К марту 2016 г. совокупный пробег беспилотных автомобилей составил около 2,4 млн км, причем значительная часть пробега приходится на движение по городу. Произошло несколько аварий, но в основном по вине других водителей.

Сидеть на переднем сиденье беспилотного автомобиля — очень необычный опыт. Передав управление компьютеру, каждый человек в машине становится пассажиром

Беспилотные автомобили дают возможность ездить с комфортом людям, которым трудно водить из-за возраста или инвалидности, а также освобождают время водителя для других задач. Они помогут уменьшить количество аварий и позволят лучше контролировать дорожное движение. Эксперты прогнозируют, что к 2040 г. более 75 % всех транспортных средств будут беспилотными.

Google внес большой вклад в развитие беспилотных автомобилей. На крыше этой ранней модели установлены датчики, передающие машине информацию о том, что происходит вокруг

Марсоход Curiosity

В отсутствие команды исследователей изучение Марса проводится с помощью марсоходов, которые становятся все более сложными. В 2012 г. произошла посадка последнего марсохода — Curiosity.

Curiosity — четвертый марсоход, высадившийся на Марсе. Первый — Sojourner — был шестиколесным грузовичком немного больше обычной игрушки и управлялся дистанционно. В 1997 г. он, упакованный в подушки безопасности, был сброшен на Марс. Sojourner доказал, что на Красной планете техника может работать на солнечных батареях, и в 2004 г. на Марс отправили два крупных марсохода — Spirit и Opportunity. Они тоже питались от солнечных батарей, и инженеры не были уверены, что марсоходы смогут пережить первую темную марсианскую зиму, не потеряв всю энергию. Перед наступлением зимы марсоходы были припаркованы на склонах, обращенных к низкому солнцу, и благодаря аккуратному управлению питанием остались работоспособными. В 2009 г. Spirit застрял в глубоком песке, не сумел добраться до зимней стоянки и полностью разрядился в 2011 г. Opportunity работал до февраля 2019 г., многократно превысив запланированный срок в 90 марсианских дней. В 2012 г. Opportunity связался с Curiosity — марсоходом нового поколения.

Стереоскопические видеокамеры Curiosity создают 3D изображение окружающей среды, которое на Земле используют для того, чтобы направлять марсоход. С помощью «руки» анализируются горные породы, происходит поиск признаков воды и, возможно, древних форм жизни на Марсе

Curiosity по размеру похож на семейный автомобиль, он в четыре раза больше Spirit или Opportunity и весит 899 кг. Он работает на радиоизотопном термоэлектрическом генераторе, который рассчитан на два десятилетия или даже больше, обеспечивая работоспособность в течение всего года. Посадка Curiosity на Марс также отличалась: его не сбросили вниз в специальном мешке, а спустили на поверхность с помощью аппарата на реактивной тяге. Как и все марсоходы, Curiosity — передвижная геологическая лаборатория. Он оснащен дрелями, лопатами и разнообразными миниатюрными детекторами. Двигаясь в районе кратера Гейла, марсоход анализирует минералы и горные породы. Полученная информация не только рассказывает ученым НАСА об истории Марса, но и помогает планировать первый полет человека на Марс.

Робот Atlas

Atlas — это один из передовых роботов с компьютерным управлением. Этот андроид предназначен для помощи аварийно-спасательным службам в условиях, слишком опасных для человека.

Представьте себе картину: землетрясение, разрушенные здания, из поврежденных труб просачиваются смертельно опасные химикаты, повсюду огонь. Такая кошмарная ситуация будет трудна даже для прекрасно оснащенной и подготовленной аварийной бригады. Здесь-то и пригодится робот Atlas. Он был профинансирован Управлением перспективных исследовательских проектов Министерства обороны США (DARPA) и разработан компанией Boston Dynamics и другими корпорациями. Когда он впервые был представлен в 2013 г., набор его возможных навыков поразил публику. Atlas изготовлен из алюминия и титана, снабжен электрическим двигателем и гидравлическим приводом. Его руки обладают развитыми моторными навыками, а суставы всех четырех конечностей могут двигаться независимо друг от друга в разных направлениях. Встроенный компьютер робота получает информацию со стереокамер и оценивает окружающую среду. В этом ему помогает лидар (так называемый лазерный радар).

Рост первой модели Atlas был 1,82 м, вес — 150 кг. Рост последней модели — 1,75 м, вес — 82 кг

Демонстрация способностей

Чтобы показать новейшие технологии робототехники и поощрить лучшие проекты, DARPA организовало соревнование Robotics Challenge. В 2015 г. Atlas участвовал в нем и прекрасно показал себя — в смоделированной ситуации он выполнил ряд задач, с которыми сталкиваются аварийно-спасательные службы. Atlas вел машину, пробрался через груды обломков, убрал мусор, блокирующий вход, и открыл дверь, чтобы войти в здание. Затем он взобрался по лестнице, с помощью инструмента пробил панель, закрыл клапан, чтобы перекрыть протекающую трубу, и, наконец, подключил шланг к стояку и включил воду.

Последняя, улучшенная версия Atlas может ходить по самым разным поверхностям, в том числе по заснеженным и ледяным склонам. При ударе он может выровняться, а после падения — снова встать.

Энергия ветра

Все больше беспокойства вызывает использование ископаемого топлива, которое при сжигании сильно загрязняет окружающую среду. Поэтому активно разрабатываются альтернативные источники энергии. Объем энергии, полученной из возобновляемых источников, увеличивается с каждым годом, и второе место (после гидроэнергетики) принадлежит энергии ветра.

Ветряные турбины преобразуют кинетическую энергию ветра в электрическую. Обычно турбина состоит из стальной башни с двумя-тремя лопастями. Когда дует ветер, лопасти вращаются, поворачивая вал, который уходит внутрь корпуса обтекаемой формы — гондолы. Там коробка передач ускоряет вращение вала, а генератор преобразует энергию движения в электричество. Датчики отслеживают направление ветра и разворачивают лопасти, чтобы ветер дул прямо на них — так установка приносит максимальную пользу.

Ветряные турбины на шельфе более эффективны, потому что морские ветра более постоянны, им не мешают холмы и другие особенности ландшафта

Ветряная турбина — современная «реинкарнация» ветряной мельницы. В I в. н. э. Герон Александрийский разработал «ветроколесо» для вдувания воздуха в трубы органа. Ветряные мельницы использовались в Персии для откачки воды из земли как минимум с IX в., а в Индии, Китае и Европе — в Средние века. В 1887 г. Джеймс Блит построил первую ветряную мельницу для выработки электроэнергии на заднем дворе своего дома в Шотландии.

Дания первой начала использовать ветряные турбины — еще в начале XX в. Но повсеместно эта технология развивается только последние три десятилетия. Сейчас во всем мире установлено более 250 тысяч ветряных турбин. Ветряные фермы — группы турбин, объединенных в единую сеть — размещаются в ветреных местах: на суше или в прибрежных водах. Идет строительство крупнейшей ветроэлектростанции в Ганьсу, которая уже в 2013 г. сделала Китай крупнейшим в мире производителем электричества из энергии ветра. После завершения Ганьсу будет производить 20 ГВт электроэнергии. Самая большая турбина в мире — Vestas V-164, Дания. Диаметр ее лопастей — 164 м, а высота башни — 220 м.

Поезд на магнитной подушке (маглев)

Колеса были незаменимой частью наземного транспорта не меньше 7000 лет. До этого люди просто ходили пешком. Однако эпоха колеса, похоже, подходит к концу.

Хотя поезд на магнитной подушке, или маглев (сокр. от англ. magnetic levitation — «магнитная левитация»), даже сейчас выглядит как транспорт будущего, идеи, лежащие в его основе, возникли еще 100 лет назад. В 1911 г. голландский физик Хейке Камерлинг-Оннес использовал самый мощный в мире холодильник для охлаждения материалов до невероятно низких температур, близких к 0 К (–273,15 °C) — самой низкой возможной температуры, «абсолютному нулю». При таком охлаждении обнаружилось, что электрическое сопротивление ртути практически исчезло. Сопротивление — это свойство материала задерживать протекание по нему электрического тока. Некоторые материалы имеют высокое сопротивление, другие (например, медь) — низкое. Но у суперхолодной ртути вообще не было сопротивления! Это явление называется сверхпроводимостью, благодаря нему материалы могут проводить электричество без потерь энергии. С тех пор инженеры открыли целый ряд сверхпроводящих материалов и другие их свойства при критических температурах. Например, сверхпроводящие магниты, хотя и требуют очень низких температур, настолько мощные, что могут заставить воспарить над землей целый поезд. Если этот феномен использовать в перевозках, транспортные средства могли бы летать над землей на высокой скорости без трения.

Шанхайский маглев — единственная пассажирская линия для поездов на магнитной подушке. Это монорельс, на котором поезд разгоняется до 435 км/ч, преодолевая расстояние 31 км за 8 мин. Линия соединяет центр Шанхая и аэропорт Пудун

Летающий магнит

Магнитная левитация достигается в том случае, когда сила отталкивания от магнита равна силе тяжести — поэтому магнит не падает, а зависает в воздухе. Этот эффект наиболее стабилен при использовании сверхпроводников, охлажденных до низких температур. На снимке магнит парит над сверхпроводником, охлажденным жидким азотом. Под воздействием магнита в сверхпроводнике создается электромагнитное поле, которое и удерживает магнит на месте.

Магнитные пути

Летающие автомобили — очень заманчивая перспектива, но для разработки технологии передвижения на магнитной подушке лучше всего подходит железная дорога. Первые рельсы и поезда-маглевы, а также несколько коротких линий были построены еще в 1960-х гг. Эти ранние системы были монорельсовыми, то есть вагоны крепились к единственному центральному рельсу. Мощные магниты под дорогой толкали аналогичные магниты, закрепленные в закрытой части внизу состава, и вагоны слегка поднимались над трассой. Система работала, но была довольно неэффективной и очень дорогостоящей, поэтому большинство подобных линий закрыли.

В двигательной установке маглева используются те же магниты, которые удерживают поезд над рельсом. Переключая полярность магнитов, система создает волну толкающих и тянущих сил вдоль поезда, разгоняя его до высоких скоростей

Однако мечта о маглевах не умерла. Появились разработки нового электродинамического рельса, по которому поезд движется в воздухе, находясь внутри углубленной колеи. Движение происходит благодаря отталкиванию магнитов под рельсом и под составом. Такое расположение магнитов не только поднимает поезд, но и используется для создания тяги.

Линейный двигатель

Мотор, благодаря которому перемещается поезд на магнитной подвеске, не имеет подвижных частей. Вместо этого он использует магнитные силы, возникающие в специальной системе — линейном двигателе. Как известно, противоположные полюса магнита притягиваются, а одинаковые — отталкиваются. Поэтому, чтобы заставить поезд парить, полярности рельса и поезда должны совпадать. Однако чтобы заставить поезд двигаться, нужно быстро переключать полярность магнитов туда и обратно. Это создает волну сил притяжения и отталкивания, пробегающую вдоль пути, притягивая и отталкивая поезд. При этом между поездом и рельсами отсутствует трение, поэтому мало что замедляет движение состава.

Рекордные показатели

Большинство исследований по созданию транспорта на магнитной подушке проводится в Германии и Японии. В последние годы экспериментальные японские поезда бьют рекорды скорости, например, в 2015 г. маглев впервые превысил скорость в 600 км/ч. Поскольку нет трения с рельсом, скорость движения ограничивается только сопротивлением воздуха. У самых быстрых поездов на магнитной подушке длинные обтекаемые носы, позволяющие им плавно прорезать воздух. На данный момент маглевы ходят в основном на коротких тестовых дистанциях. Пока не планируется развивать междугородную систему поездов на магнитной подушке: стоимость подобных проектов была бы очень высокой. Однако если инженеры разработают менее дорогие сверхпроводники, то магнитопланы могут стать привычной реальностью.

TGV

TGV (Train à grande vitesse, французский высокоскоростной поезд) — модель для большинства высокоскоростных железнодорожных сетей по всему миру. Исключением является японский «Синкансэн» (так называемый поезд-пуля), который заработал еще в 1960-х гг. С 1990-х гг. на самых быстрых поездах используются электродвигатели TGV. Поезда регулярно ходят со скоростью около 320 км/ч. В 2007 г. во время пробной поездки поезд достиг скорости 575 км/ч, установив новый рекорд для поездов, движущихся по рельсам. Быстрее них только маглевы.

Солнечная энергетика

Солнечная энергетика использует солнечный свет для получения электричества. Это непревзойденное направление альтернативной энергетики, ведь количество солнечного света бесконечно, а производство не создает вредных отходов.

В 1974 г. в Северной Америке всего шесть домов использовали солнечную энергию. В то время нефть была достаточно дешевой, но когда она подорожала, инженеры начали искать способы промышленного применения солнечной энергии. Исследования в этой области стали более серьезными, когда обнаружилась проблема влияния сжигания ископаемого топлива на климат Земли. Сейчас эксперты прогнозируют, что к 2050 г. солнечная энергия станет крупнейшим в мире источником электроэнергии (27 % от общего объема) и будет дешевле электроэнергии, вырабатываемой на тепловых электростанциях.

PV-фермы собирают солнечные лучи, преобразуя их в источник электроэнергии

Построенная в 2018 г. солнечная электростанция Нур-Уарзазат в пустыне Сахара в Марокко стала самой большой на Земле. В Сахаре редко бывает облачно, поэтому нет проблем с недостатком топлива. Нур производит 580 МВт электроэнергии и обеспечивает электроэнергией 1,1 млн человек.

Солнечные печи

Самый впечатляющий компонент солнечной печи — огромное параболическое зеркало (концентратор), благодаря которому солнечные лучи фокусируются на небольшой поверхности, нагревая ее до очень высоких температур. Другие зеркала (гелиостаты) направляют свет на концентратор, подстраиваясь под движение солнца по небосводу. Крупнейшая такая печь находится в Одейо, Франция. Она включает в себя 63 гелиостата и может создавать температуру до 3500 °C за несколько секунд! Эта установка используется для исследований нанотехнологий и реакций различных материалов на термический удар — резкое повышение температуры. Конечно, солнечные печи работают только в солнечные дни.

Получение энергии

Солнечную энергию можно получать двумя способами: с помощью фотоэлектрических панелей (PV) и систем концентрирующего типа (CSP). В основе современных PV-источников питания — солнечных батарей — лежит фотогальванический эффект, открытый французским физиком Александром Эдмоном Беккерелем в 1839 г. Благодаря этому эффекту световая энергия напрямую преобразовывается в электричество. Принцип работы источника питания прост. В нем есть два слоя фотоэлектрического материала, обычно кремния. Первый слой «перенасыщен» электронами. Когда на него попадает солнечный свет, электроны поглощают энергию фотонов, возбуждаются и переходят во второй слой, который может вобрать в себя больше электронов. Этот поток электронов становится постоянным электрическим током. Инвертор преобразует его в переменный ток, подходящий для работы бытовой техники.

НАСА с самого начала устанавливало солнечные батареи на свои космические аппараты. Например, Explorer 6, запущенный в 1959 г., был оснащен четырьмя раскладными панелями солнечных батарей. Они в течение нескольких месяцев обеспечивали спутник энергией

Огромным плюсом солнечных батарей является отсутствие в них движущихся частей, которые могли бы сломаться. При этом они могут быть любого размера: крошечными ячейками для питания карманных калькуляторов или крупными солнечными панелями на крышах домов, от которых работает вся бытовая техника. Есть и огромные массивы солнечных батарей, которые питают электросети. Самая большая из них — Solar Star в Калифорнии, которая может генерировать 579 МВт. PV-источники питания используют и в инновационных проектах — например, в Solar Impulse — самолете, способном летать за счет солнечной энергии.

Solar Impulse

Одноместный самолет Solar Impulse швейцарского производства использует исключительно энергию солнца. На модели Solar Impulse 2 солнечные батареи покрывают весь верх фюзеляжа и крыльев, размах которых равен 72 м. Они обеспечивают питание четырех электродвигателей, что позволяет развивать скорость до 140 км/ч. В ночное время самолет летает медленнее, чтобы экономить энергию. В 2015 г. он совершил беспосадочный перелет из Японии на Гавайи — самый долгий полет на солнечных батареях.

Сфокусированный свет

Система концентрирующего типа (CSP) производит электроэнергию опосредованно. Эта идея восходит еще к Древней Греции, когда Архимед якобы разработал оружие с зеркалами, способное направлять концентрированный солнечный свет на вражеские корабли и сжигать их. Первая промышленная CSP-электростанция была спроектирована и построена в Италии профессором Джованни Франчиа в 1968 г. В подобной установке параболические зеркала концентрируют солнечные лучи в солнечной печи, чтобы обеспечить работу теплового двигателя. В печи нагревается вода и появляется пар, который приводит в движение турбины, благодаря чему вырабатывается электроэнергия. Крупнейшая CSP-электростанция в Айвонпа, США, имеет мощность 392 МВт. Однако больше всего электроэнергии с помощью CSP производит Испания.

Инженерное дело. Основы

Так что же нам дают изобретения и куда они нас приведут?

Давайте с различных точек зрения рассмотрим некоторые области инженерного дела: двигатели, транспорт, строительство и материалы.

Двигатели

Пар

Первый двигатель был паровым. Он был изобретен в конце XVII в. и постоянно улучшался на протяжении XVIII в. Томасом Ньюкоменом, Джеймсом Уаттом и другими великими инженерами. Это был двигатель внешнего сгорания — то есть в нем топливо сгорало за пределами движущихся частей устройства. Тепло, получаемое от сгорания топлива, используется для кипячения воды, благодаря этому образуется поток пара высокого давления, который давит на поршень, заставляя его двигаться. Возвратно-поступательное движение поршня передается механизму, часто оно преобразовывается во вращательное движение колес. На протяжении всего XIX в. и в начале XX в. паровые двигатели были главным источником энергии для локомотивов, тракторов, кранов и автобусов. Однако они были слишком велики и неповоротливы, чтобы их можно было использовать в небольших автомобилях.

Схема парового двигателя: поток пара из котла давит на поршень, двигая его. Затем пар конденсируется, возвращается в котел и процесс происходит заново

Двигатели внутреннего сгорания

Первые автомобили, мотоциклы и даже первые самолеты получали энергию от двигателя внутреннего сгорания (ДВС). Его первая рабочая модель была создана в 1860 г. Этьеном Ленуаром, к 1890-е гг. ДВС стали использовать на небольших личных автомобилях. Принцип действия отражен в названии: жидкое топливо сгорает внутри цилиндров двигателя. Оно смешивается с воздухом и поджигается, создавая быстро расширяющиеся газы. Эти газы давят на поршни, вызывая их движение, которое затем передается на колеса. В большинстве автомобилей используются двигатели, состоящие из четырех цилиндров и работающие в четырехтактном цикле (см. стр. 120).

Основное применение ДВС — автомобили, но их также используют в лодках, переносных электрогенераторах и мощных электроинструментах

Возвратно-поступательное движение поршня двигателя преобразуется во вращательное движение колес с помощью коленчатого вала (коленвала). Это зигзагообразная ось, которая позволяет одному поршню подниматься, пока другой опускается

Реактивный двигатель

Реактивный двигатель создает тягу за счет отталкивания от выхлопного газа, который с силой вырывается назад (в сторону, противоположную движению). Компрессор подает сжатый воздух в камеру сгорания, где тот смешивается с топливом, воспламеняется и расширяется. Расширенный газ заставляет вращаться турбину, которая приводит в действие компрессор, и направляется в сопло, образуя реактивную тягу.

В самых быстрых реактивных самолетах, например в истребителях, используются турбореактивные двигатели, а в пассажирских — менее мощные, но более экономичные турбовентиляторные двигатели

Ракетный двигатель

Ракетный двигатель относят к реактивным, но он, в отличие от остальных видов двигателей, не нуждается в снабжении воздухом. Он использует два вида топлива — горючее и окислитель, — которые горят при смешивании. Эта бурная химическая реакция создает тягу и может протекать в разных средах: в воздухе, воде или вакууме. Ракетные двигатели кажутся очень простыми, однако инженерам-ракетостроителям пришлось разработать корабль, способный выдержать огромную реактивную тягу и при этом оставаться управляемым во время движения во много раз быстрее звука.

Жидкостный ракетный двигатель относительно прост: две жидкости подаются в камеру сгорания. Там они соединяются, горят, создавая мощную газовую струю

Транспорт

Дороги

Изобретение колеса привело к другому нововведению — дорогам. Колесные транспортные средства способны перевозить больше, чем человек или животное, но использовать их можно только на ровной и относительно плоской поверхности. Персы и римляне создали обширные и разветвленные сети дорог. Самые важные пути были мощеными, однако большинство было всего лишь очищено от камней.

Автомобили предназначены для езды по плоским и гладким дорогам. Современные дороги — это результат различных изобретений, сделанных в течение многих веков

Современные дорожные покрытия основаны на работах британских инженеров: в 1800-х гг. Томас Телфорд и Джон Макадам использовали стандартные методы построения прочных фундаментов, положив сверху спрессованные мелкие камни. Этот процесс стал известен как «макадамизация». В 1901 г. Эдгар Хули запатентовал метод закрепления камней горячей смолой. Получившийся асфальт, охлаждаясь, становился плоской твердой поверхностью. Камни делали поверхность слегка шероховатой, что прекрасно подходит для сцепления с шинами. Сегодня большинство дорог, в том числе взлетно-посадочные полосы и скоростные трассы, покрыты асфальтом.

Вода

Плавание по воде было первым способом передвижения человека на большие расстояния. Простой плот, огромный танкер и даже авианосец не тонут благодаря одному и тому же физическому закону, который был открыт Архимедом еще в III в. до н. э. Согласно этому закону, вода действует на предмет с выталкивающей силой, равной весу воды, вытесненной этим предметом. Если поместить в воду камень, то он потонет, потому что вытесненная им вода весит меньше, чем сам камень. Судно любого размера будет плавать, если вес вытесняемой им воды превышает его собственный.

Судно плавает в воде за счет выталкивающей силы воды, действующей в направлении, противоположном силе тяжести. Пока средняя плотность судна меньше плотности воды, оно будет плавать. Даже огромные стальные корабли заполнены в основном воздухом и потому весят меньше, чем эквивалентный объем воды

Но нужно не только не утонуть. Судно должно двигаться, то есть пробиваться сквозь воду — с помощью весел, паруса или винта. Сопротивление воды всегда будет ограничивать скорость кораблей. Самые быстрые судна — катера, катамараны и судна на подводных крыльях — используют крыловидную конструкцию, которая приподнимает их над водой, уменьшая сопротивление.

Воздушный транспорт

У путешествия по воздуху есть много преимуществ. На пути самолета нет препятствий, которые ограничивают наземные передвижения, поэтому он может лететь на большой скорости прямо к месту назначения. Но чтобы подняться в воздух, нужна подъемная сила, которая противодействует силе тяжести, или весу самолета. Один из способов решения этой проблемы — создание аппаратов легче воздуха: воздушных шаров или дирижаблей. Однако у таких аппаратов есть существенный недостаток: во время подъема они с трудом двигаются вперед и ими нелегко управлять. Самолеты тяжелее воздуха, у них подъемная сила создается с помощью крыльев — поверхности специально изогнутой формы, которая рассекает воздух. При этом давление воздуха над крылом меньше, чем под ним, что создает силу, которая толкает крыло (и самолет) вверх. Чтобы создать подъемную силу больше веса самолета, он должен лететь с высокой скоростью. Это обеспечивает двигатель — винтовой или реактивный, — который создает тягу, проталкивающую самолет сквозь воздух.

Давление воздуха под крылом выше, чем над ним, поэтому крыло поднимается

На самолет действуют четыре силы, которые и определяют его полет

Железнодорожный транспорт

Езда по рельсам более эффективна, чем по дорогам. Поезда могут перевозить намного больше грузов и гораздо быстрее, чем автомобили. Вагоны и локомотивы катятся по рельсам на гладких металлических колесах. Чтобы обеспечить достаточное сцепление, поезд должен быть очень тяжелым, но при движении гладкие рельсы создают очень небольшое сопротивление, поэтому поезда могут перевозить сотни людей или очень крупные грузы гораздо эффективнее, чем другие виды наземного транспорта. Производительность поездов увеличивается еще больше при замене паровых локомотивов дизельными и электрическими. Однако у железнодорожного транспорта есть некоторые серьезные недостатки: создание разветвленной железнодорожной сети и необходимых поездов стоит дорого, к тому же поезда могут ходить только там, где для них проложены рельсы.

Сигналы на железной дороге

Сигналы на железных дорогах не такие, как на автомобильных. Например, может использоваться группа сигналов на разных светофорах. В такой системе зеленый сигнал будет показывать, что участок дороги впереди пуст. Красный — что на участке есть поезд и нужно остановить состав. Желтый — что впереди есть красный сигнал. На стрелочных переводах подвижные участки рельсов присоединены к главным рельсам так, что машинисты идущего поезда могут перевести стрелки самостоятельно.

Строительство

Этот вид инженерного дела имеет дело с силами, действующими внутри любого сооружения: дома, туннеля или моста. Инженеры обязаны гарантировать, что используемые при работе материалы и конструкции достаточно прочны, чтобы удерживать вес здания.

Нагрузки

Силы, воздействующие на конструкции, называются нагрузками. К ним относят вес самой конструкции и любых объектов, которые могут использовать постройку. Инженеры-строители проектируют здания так, чтобы нагрузки передавались через элементы конструкции на землю. Горизонтальные элементы (например, перекладины и балки) передают нагрузки на вертикальные (стены, колонны или столбы), а те — на фундамент, создающий прочную основу для всей конструкции.

Дом сконструирован таким образом, чтобы удерживать вес крыши, стен и полов. Вся нагрузка должна передаваться через элементы конструкции в землю, иначе дом развалится!

Перемычка давит на столбы, которые давят на перемычку, удерживая ее. Эта система не подходит для больших пространств: противодействующие силы могут выйти из равновесия, и перемычка треснет

Арка может перекрывать более широкие пролеты, чем перемычка. Ее изогнутая структура опирается не прямо вниз, а в стороны. Эта сила уравновешивается вертикальным давлением столбов и боковым упором стен, поэтому конструкция остается стабильной при больших нагрузках

Изобретение в 1852 г. Элишей Отисом безопасного лифта сделало возможным строительство многоэтажных зданий

Вес небоскреба не переносится на его стены. Нагрузка передается на внутренние колонны из стали или бетона

Пространство

Самая прочная конструкция — это однородное плотное тело, но оно практически бесполезно. Поэтому в строительстве используют структурные элементы, которые образуют прочный каркас вокруг внутреннего пространства. Небольшие пространства — двери, окна, обычные комнаты — поддерживаются с помощью балок и перемычек, их удерживают на себе вертикальные стойки. Но для крупных пространств этого недостаточно: горизонтальные элементы конструкции не могут передать всю нагрузку на вертикальные стойки, прогибаются и ломаются. Большие помещения перекрывают арочными сводами — их изогнутая конструкция лучше перераспределяет нагрузку на вертикальные элементы здания.

Чем выше здание, тем больше его вес, и стены, которые несут нагрузку, должны становиться все толще. Получается, что возводить постройки выше 12 этажей нецелесообразно, потому что придется делать стены толщиной около метра. Более высокие здания поддерживаются массивными внутренними колоннами. На них опираются этажи, а стены навешиваются снаружи, создавая внутреннее пространство, но не принимая на себя вес самого здания.

Мосты

Мост, соединяющий два удаленных места, — одна из самых сложных и впечатляющих конструкций. Он может иметь немного несущих опор, но они должны быть достаточно прочными, чтобы выдерживать вес не только самой конструкции, но и всего, что по ней движется. Для небольших мостов используются простые балки или арки из дерева или камня. Однако для крупных мостов эти материалы слишком непрочные и не могут удержать даже вес конструкции, поэтому вместо них используют сталь, которая может сгибаться, не ломаясь.

Четыре вида мостов, расположенные в порядке увеличения перекрываемого пространства

Строители Форт-Бридж в Шотландии в 1880-х гг. показывают, как две боковые конструкции железнодорожного моста будут уравновешивать центральный пролет

Для постройки мостов с длинными пролетами применяют разные конструкции, которые передают вес главного пролета на концы моста, опирающиеся на землю. Консольный мост работает как пара качелей, которые уравновешивают вес центрального пролета. Пролет подвесного моста висит на прочных кабелях, закрепленных на обоих концах конструкции. Вантовый мост похож на подвесной, но в нем пролет удерживается кабелями, закрепленными на высоких вертикальных стойках.

Золотые Ворота — мост через вход в гавань Сан-Франциско. Это один из самых известных подвесных мостов в мире. Он открылся в 1937 г. и был крупнейшим в мире до 1964 г., когда начал функционировать мост Верразано-Нэрроуз в Нью-Йорке

Материалы

Камень

Древнейшие постройки, которые стоят до сих пор, сделаны из камня, что свидетельствует о невероятной прочности этого материала. В целом камень — очень твердый материал, он выдерживает огромные силы сжатия и не ломается при значительной нагрузке. Однако он плохо гнется и растягивается. Если перекрыть камнем слишком широкий пролет, он треснет и сломается — это существенные ограничения, накладываемые на постройки из камня.

Архитектура инков в Куско, Перу. Остается загадкой, как инкские каменщики вырезали камни так, чтобы они идеально прилегали друг к другу

У традиционного японского дома деревянный каркас и нет внутренних несущих стен — все внутренние стены сделаны из бумаги

Древесина

Пожалуй, это самый старый строительный материал. Древесина — это натуральный материал, который со временем разлагается, поэтому лишь некоторые деревянные постройки стоят дольше нескольких столетий. Преимущество древесины — в ее невысокой цене и большой прочности. Она способна выдерживать значительные силы сжатия и натяжения, возникающие в конструкции зданий, и при этом гнуться, но не ломаться. Древесина плохо подходит для строительства в холодном и влажном климате, где она подвержена гниению. В наши дни деревянные балки, перемычки и стойки являются неотъемлемыми элементами большинства современных домов.

Глинистая масса

Это просто смесь земли и воды, очень недорогой и универсальный материал, применяемый в строительстве в сухом климате. Мокрую массу накладывают в несколько слоев, формируя стены и пол, которые после высыхания становятся достаточно прочными, чтобы держать деревянную крышу. Некоторые из ранних построек были сделаны из грязи и прутьев, уложенных внутри; такая конструкция называется «мазанка». Сооружения из глинистой массы легко размывает дождем, поэтому их приходится регулярно подновлять.

Великая мечеть в Дженне, Мали, Западная Африка, построена из глиняной массы и стоит уже 800 лет

Стол и стулья, сделанные из бетона. Бетон — дешевый и прочный материал

Бетон

Бетон по структуре имитирует камень, но изготавливается из песка или мелких камней, скрепленных цементом. Существует несколько видов цемента, которые предназначены для различных условий, но дают примерно одинаковый результат. Бетон выдерживает очень большую нагрузку, поэтому его можно использовать при строительстве плотин и небоскребов. При замешивании бетон жидкий, но когда его заливают в форму, он затвердевает. Это позволяет придать ему практически любую конфигурацию, создавая предметы, которые будут прочны, как камень.

Штукатурка

В строительстве этот материал используется для создания гладкой поверхности стен и потолка, но из него также можно делать сложные детали и украшения. Обычно штукатурку изготовляют из порошкообразного гипса или извести. Их нагревают до тех пор, пока не испарится вся вода. Для использования нужно снова смешать с водой — и материал восстановит свою первоначальную кристаллическую структуру. В это время можно наносить мокрую штукатурку на различные поверхности или придавать ей нужную форму.

Потолочный плафон, сделанный из гипса

Кирпич

Этот строительный материал отлично подходит для конструкций, которые строятся из блоков, накладывающихся один на другой и скрепляющихся, создавая стены и другие конструктивные элементы (для других кладочных работ можно использовать камни, нарезанные на блоки). Современный кирпич изготавливается из глины. Ее в жидком состоянии заливают в пресс-формы и обжигают, после чего она становится твердой, как камень. Сильный жар спекает глину в кирпич так же, как и при обжиге керамики. Кирпичи используются в строительстве по крайней мере 7000 лет и лучше всего подходят для небольших зданий в холодном и влажном климате.

Кирпичные постройки выдерживают сильное сжатие и поэтому хорошо сохраняются. Однако кирпичные здания не могут быть выше 12 этажей, потому что в этом случае стены становятся слишком толстыми

Бронза

Первый металл, получивший широкое распространение, — это бронза, сплав меди и олова. Бронзовый век начался в Восточном Средиземноморье около 5000 лет назад. Входящие в сплав металлы сравнительно инертны и поэтому их легко получить из руд, а необходимой для плавки температуры можно достичь с помощью большого костра. Бронза легко поддается обработке — ее заливают в формы, а затем корректируют. Этот сплав прочнее чистой меди или олова, но слишком тонкие бронзовые предметы хрупкие и ломкие, поэтому бронзовые изделия должны быть относительно крупными.

Шлем из бронзы не такой прочный, как из других металлов, но способен защитить от бронзового оружия

Железо

Это второй по распространенности металл в земной коре. Его температура плавления выше, чем у меди; ее удалось достичь около 3000 лет назад, когда появились печи на древесном угле. Железо практически не существует в чистом виде, зато часто используется в виде сплавов с углеродом, один из них — ковкое железо (примерно до 1 % углерода). Это пластичный, но достаточно хрупкий материал, работать с которым легче, чем с чугуном — более дешевым, но менее чистым сплавом железа (более 2 % углерода). Расплавленный чугун заливают в формы, получая при охлаждении прочный тяжелый предмет. Тем не менее чугун относительно хрупкий и его сложно ковать. Его по-прежнему используют для изготовления кастрюль и прочей кухонной утвари, а ковкое железо было вытеснено сталью.

Эйфелева башня состоит из 18 038 деталей из ковкого железа, соединенных с помощью 2,5 млн заклепок

Сталь

Это сплав железа, углерода и, как правило, других элементов. Добавление углерода (1–2 %) делает сплав гораздо более прочным, чем чистое железо. Изготовление стали было сложным и дорогим до тех пор, пока в 1850-х гг. не был разработан процесс ее массового производства. Сегодня это самый дешевый и самый распространенный металл, используемый в строительстве. Он в сотни раз прочнее бетона и легче переносит высокое давление.

Для поддержки этого моста используются стальные арки. Сталь необходимо защищать от коррозии. Самый простой способ защиты — покрасить металл, ограждая его от влияния окружающей среды

Алюминий

Это самый распространенный металл в земной коре. Он активно реагирует с другими веществами, поэтому его трудно выделить из руды. В 1880-х гг. был разработан электрохимический процесс, удешевивший производство алюминия. Алюминий не так прочен, как сталь, но значительно менее плотный и поэтому используется для создания жестких, но легких конструкций.

Алюминий не только легче стали, но и не подвержен коррозии

Пластмасса (пластик)

Термин «пластмасса» означает свойство материала — его способность под некоторым воздействием менять свою форму и впоследствии сохранять ее. Так называют большую группу соединений с этим свойством, многие из которых изготовлены из веществ, полученных из нефти. Пластмассы — полимеры, то есть они состоят из длинных цепочек молекул. Эти макромолекулы можно по-разному организовать, чтобы получить прочные и легкие предметы практически любой формы. Некоторые пластмассы (термопласты) можно многократно нагревать, меняя их форму, а в других (термореактивных) макромолекулы закрепляются и уже не могут быть изменены.

Компоненты этого машинного двигателя сделаны не из металла, а из термореактивных пластмасс, которые остаются прочными при высоких температурах

Углеродное волокно (углеволокно)

Этот современный материал очень легкий и прочный, что делает его хорошей альтернативой металлу. Углеволокно состоит из длинных нитей углерода, связанных между собой. Угле-волокно — один из частых компонентов композиционных материалов, в которых одновременно используются металлы, пластмассы и другие вещества. Инженеры создают композиционные материалы с самыми разными свойствами, чтобы решать различные задачи.

Корпус этого мотоцикла сделан из углеволокна. Это делает его легче, что обеспечивает более эффективный расход топлива

Умные материалы

Это общий термин, который относится к широкому спектру материалов, способных реагировать на окружающую среду и менять свои свойства. Самый известный умный материал — кварц. Кварцевые кристаллы вырабатывают электрический ток при сжатии и вибрируют, когда электризуются. Другие умные материалы меняют свои свойства при изменении температуры или под воздействием магнитного поля. Одно из удивительных новых свойств — эффект памяти формы: при определенных условиях (например, при некоторой температуре) материал меняет форму на иную, заданную предварительно.

Этот плоский термометр сделан из умного материала. Его цвет меняется в зависимости от температуры: прижатый к коже термометр показывает температуру тела

Цифровые часы отсчитывают время с помощью ритмичной вибрации наэлектризованного кварца — самое первое использование умного материала

Нерешенные вопросы

Каждый инженер участвует в строительстве будущего, он совершенствует старые конструкции, делает их больше или лучше. Пределы возможного существуют лишь в нашем воображении. Давайте взглянем на некоторые возможные нововведения.

Можно ли создать новую Землю?

Ученые находят доказательства существования землеподобных планет в далеких звездных системах, но посетить их мы пока не можем. Однако вероятно, что в ближайшем будущем люди отправятся на Марс. Можно ли создать там новую Землю? Такой процесс называется «терраформирование», и он невероятно сложный. Первая проблема — очень разреженная атмосфера: атмосферное давление у поверхности планеты примерно в 100 раз меньше земного. Уплотнить атмосферу можно, например, направляя богатые азотом кометы в сторону Красной планеты. Еще нужно насытить атмосферу кислородом. На Земле его производят растения из углекислого газа. Атмосфера Марса в основном состоит из углекислого газа, поэтому на планету можно доставить похожие на растения бактерии, которые смогут жить на поверхности скал, медленно выделяя кислород и нанося на пыльную поверхность слой органического материала. Еще одна проблема — слабое магнитное поле Марса, которое не может, как на Земле, защитить жизнь от опасного солнечного излучения; и инженерам еще предстоит найти способ решить эту задачу.

Терраформированная планета может стать нашим новым домом в космос

Будет ли Hyperloop?

В 2012 г. миллиардер, ученый и футуролог Илон Маск предложил идею нового вида транспорта — Hyperloop («гиперпетля»). По его концепции, пассажиры будут сидеть в капсулах, мчащихся по сети труб между городами. В трубах будет поддерживаться частичный вакуум, и вентилятор в передней части капсулы будет всасывать воздух, а потом откачивать его под днищем. Это позволит создать воздушную подушку под капсулой, позволяя ей скользить, как шайба на льду. Благодаря небольшому сопротивлению воздуха капсула может достичь сверхзвуковой скорости. Маск уже обратился в несколько компаний, предложив им посоревноваться за право реализовать проект, и возможно, первые линии Hyperloop будут работать уже в середине 2020-х гг. Сеть Hyperloop может снизить потребность в перелетах на небольшие расстояния, загрязняющих окружающую среду. Однако в идее Маска есть и проблемы — например, путешествие на Hyperloop может быть неприятным из-за сильного шума, ускорений и вибраций. Но в свое время то же самое говорили и про поезда.

Hyperloop Илона Маска считается пятым видом транспорта после колес, крыльев, рельс и кораблей

Как высоко мы можем построить?

Нет никаких структурных ограничений, не позволяющих построить башню выше Эвереста, однако ее фундамент должен иметь площадь 4100 кв. км — а это слишком большой участок для любого застройщика. Кроме того, плотность самых высоких небоскребов составляет лишь 15 % плотности Эвереста, поэтому при одинаковой массе небоскреб был бы в семь раз выше горы. Будем ли мы строить такое здание? Да, если это имеет финансовый смысл. Когда будет построена башня Джидда в Саудовской Аравии, она станет одной из высочайших строений в мире. Ее высота будет 1 км. Первоначально башню хотели сделать высотой в милю (около 1,6 км) — это достижимо, но цена оказалась чересчур высокой.

На практике высоту зданий ограничивают деньги, а не технологии

Будет ли сделан лифт в космос?

В 1895 г. инженер-провидец Константин Циолковский предложил идею космического лифта — конструкции, поднимающейся от Земли в космос. Последующие расчеты показали, что его высота должна быть 70 000 км. Лифт может доставлять туристов на космическую станцию, расположенную на геостационарной орбите, т. е. на высоте 35 800 км (объекты на этой высоте вращаются с той же угловой скоростью, что и Земля, поэтому всегда остаются над одним и тем же местом на поверхности Земли, поэтому орбита называется геостационарной). Чтобы геостационарная станция была устойчивой, предлагается использовать противовес, который находился бы гораздо дальше в космосе. Благодаря ему конструкция не будет подвергаться такому же давлению, как обычный дом, но будет удерживаться на месте, вытягиваясь противовесом. Для построения космического лифта пока нет подходящих материалов, хотя теоретически можно использовать углеродные нанотрубки. Также нужна значительная энергия, чтобы поднимать грузы на лифте — и для этого предлагается использовать энергию движения грузов вниз (которое происходит под действием силы тяжести).

Космические лифты могут свести на нет необходимость запусков ракет, делая путешествия в космос доступнее и дешевле

Не окажется ли однажды соседская семья роботами?

Будут ли роботы похожи на людей?

Андроид — это робот, имитирующий внешность и возможности человека. Он двигается как человек, и в будущем сможет думать как человек или похожим образом — что в принципе одно и то же. Есть два технических препятствия для изготовления андроидов с человеческими возможностями или даже лучше. Во-первых, элементы тела андроида и двигатели, которые есть у каждого сустава, значительно тяжелее их биологических аналогов. Достаточно быстрый и пластичный робот будет чрезвычайно тяжелым. Одно из возможных решений — выращивать тела или детали роботов из биологического материала. Во-вторых, как наши тела контролируются мозгом, так и андроиды будут управляться компьютером. Но нет никаких доказательств того, что мозг работает так же, как компьютер. А если бы компьютер мог сравниться по вычислительной мощности с мозгом и был бы достаточно мал, то как мы могли бы его программировать? В результате андроиды стали бы жителями «зловещей долины» — так называют эффект, когда что-то похожее на человека вызывает неприязнь и отвращение из-за мелких несоответствий внешности и поведению людей.

Какая топливная система самая чистая?

Сжигание ископаемого топлива приводит к выделению химических веществ, которые вредят здоровью и загрязняют окружающую среду. Уголь — самое «грязное» топливо, а чистый метан — самое безопасное, хотя даже он выделяет углекислый газ, который может стать самым разрушительным загрязняющим веществом, если позволить ему изменять климат Земли. Самое чистое неископаемое топливо — это водород, при его сжигании образуется только водяной пар. Однако водород нужно очищать от других химических веществ, и этот процесс требует большого количества энергии (возможно, полученной за счет ископаемого топлива), поэтому в конце концов водород нельзя считать экологически чистым топливом. Единственный способ свести к минимуму загрязнение от двигателей — это использовать электромоторы и питать их электроэнергией, вырабатываемой с помощью солнца, ветра и других возобновляемых источников.

Нужен ли нам новый тип компьютеров?

В классическом цифровом компьютере используется система переключателей, или реле, которые замыкают или размыкают электрическую цепь по сложной схеме. Каждый переключатель состоит из полупроводящего «бутерброда», который создает крошечный разрыв в цепи. Этот разрыв может либо пропустить ток, либо блокировать его. С развитием технологий разрыв уменьшается, делая схемы компактнее, однако он должен создавать барьер для прохождения тока, поэтому не может быть меньше некоторого значения. Эту проблему можно решить несколькими способами — например, с помощью фотонных схем, в которых используются лучи света, а не электрический ток. Другой вариант — применять в качестве переключателей отдельные атомы. Благодаря особенностям квантового поведения такие переключатели могут быть включены и выключены одновременно. Это и лежит в основе квантовой вычислительной техники. Если атомы объединить в группы, они создадут огромные вычислительные мощности. Два классических переключателя хранят 2 бита информации, а два квантовых — 4 бита (22). Квантовая 64-разрядная система может обрабатывать не 64 бита, а 18 446 744 073 709 551 616!

Квантовый компьютер D-Wave, разработка которого спонсируется НАСА и Google, считается первым работающим квантовым компьютером

Космолеты будущего — это воздушные шары?

В 2016 г. на МКС был установлен новый модуль BEAM (экспериментальный надувной жилой модуль производства компании Bigelow Aerospace), ширина которого во время запуска составляла всего 2,4 м. Однако после стыковки с МКС он был наполнен воздухом и увеличился в пять раз, создав еще одно помещение для экипажа. Растягиваемые стенки модуля сделаны из нескольких слоев кевлара — материала, используемого в пуленепробиваемых жилетах. Планировалось испытывать BEAM в космосе в течение двух лет, но в октябре 2017 г. НАСА решило продлить работу модуля. Возможно, модули из кевлара обеспечат лучшую защиту от радиации, чем традиционные алюминиевые, и будут достаточно жесткими, чтобы выдерживать воздействие пыли и космического мусора, вращающегося около орбиты МКС.

Прочный воздушный шар, который наполняется воздухом в космосе, — возможно, это будущее космических кораблей

Космические самолеты изменят транспортную систему?

При полете самолет должен проталкивать себя через воздух, замедляясь из-за его сопротивления. Но если бы самолет вышел из атмосферы на суборбитальную траекторию, то он мог бы достичь огромных скоростей и пересекать океаны и континенты за несколько минут, а не часов. Несколько компаний разрабатывают аппараты и двигатели, способные на этот подвиг. Один из таких двигателей — SABRE от UK Engineers Reaction Engines. Это двигатель «три в одном»: турбореактивный, прямоточный воздушно-реактивный и ракетный. В первом режиме топливо самолета сильно охлаждается, поэтому при сгорании создается больше тяги. Когда самолет в воздухе достигает высокой скорости, двигатель работает как прямоточный: воздух устремляется в камеру сгорания, и топливо сгорает без участия компрессора. При еще более высокой скорости прекращается подача воздуха, и двигатель переходит в ракетный режим.

На космических самолетах можно будет совершить поездку на другую сторону Земли всего за день

Что нам даст графен?

Графен — это искусственно созданная форма чистого углерода, сделанная из графита (грифель в карандаше). Графит состоит из нескольких слабо связанных слоев, а каждый слой — из решеток атомов углерода в виде шестиугольников. Слои скользят друг по другу, делая графит мягким и скользким. Графен — это один слой графита. Сейчас активно изучают его свойства и возможности — например, известно, что трубки из листов графена могут стать сверхпрочным строительным материалом. Еще графен можно использовать для создания крошечных механизмов, которые работали бы внутри тела человека или применялись в следующем поколении аккумуляторов, микросхем, дисплеев или солнечных батарей. Графен провозглашается материалом, за которым будущее. Время покажет.

Шестиугольная структура графена делает его настолько прочным, что можно сформировать лист толщиной всего в один атом

Закончатся ли у нас ресурсы?

Вероятно, ресурсы Земли подойдут к концу, особенно редкоземельные металлы, используемые в высокотехнологичной электронике. Но есть возможность доставлять ресурсы из космоса, например с астероидов, каменных остатков ранней Солнечной системы. Гравитация астероида намного меньше земной значит, на него можно отправить возвращаемый космический корабль, который привез бы обратно на Землю камни с различными видами ценных металлов. В 2001 г. крошечный космический аппарат NEAR Shoemaker совершил первую мягкую посадку на астероид. Уже запланированы запуски более тяжелых кораблей к астероидам с большим содержанием металлов.

Гибкие дисплеи могут в будущем заменить бумагу

Экраны могут заменить бумагу?

Бумага — одно из величайших изобретений человечества. Она легкая, прочная и хорошо гнется. Но ее едва ли можно использовать повторно: после того как вы что-то написали или напечатали, вам понадобится новый лист. На экране записи легко обновляются, но он тяжелый, жесткий и нуждается в электропитании. Если сделать экран тонким как бумага, то последняя, вероятно, останется в прошлом. Шагом вперед стал OLED-дисплей, изготовленный из органических светодиодов. В этой системе используется сверхтонкий слой диодов, создающий разноцветные узоры. Слои настолько тонкие, что их можно поместить на гибкую пластиковую поверхность. OLED-дисплеи уже используются для создания изогнутых экранов. Можно представить и сенсорную OLED-бумагу на солнечных батарейках.

Гео-инжиниринг может решить проблему изменения климата?

Человек загрязняет атмосферу углекислым газом, который не дает излишкам тепла уходить в космос, вызывая глобальное потепление. Но недостаточно только сократить выбросы углекислого газа, необходимо разработать способы восстановления климата. Первая проблема — это сокращение количества поступающего на Землю солнечного света. Для ее решения можно использовать огромные зеркала, которые в космосе отражали бы солнечные лучи, или с помощью самолетов распылять в атмосфере мелкий порошок, чтобы блокировать лучи. Другой целью является сокращение количества углекислого газа в воздухе. Его можно извлечь из атмосферы с помощью химических веществ и закачать в подземные хранилища. Можно также создавать фермы водорослей, преобразующих углекислый газ в биомассу, которая будет оседать на дне. Инженерные решения в области климатологии будут, вероятно, самыми грандиозными проектами в истории.

Футуристическая горнодобывающая колония на астероиде в представлении художника

Чудеса техники

Когда в инженерной конструкции соединяются замечательный проект и новаторство, появляется грандиозный архитектурный памятник. В мире много архитектурных чудес, здесь лишь некоторые из них. Они заслуживают внимания по разным причинам: это могут быть самые высокие или самые длинные из подобных сооружений, но особенные они во многом тем, что сочетают в себе удивительную красоту и функциональность.

Виадук Мийо

Этот вантовый мост, пересекающий широкую долину на юге Франции, долгое время был самым высоким транспортным мостом в мире. Дорожное полотно находится на высоте 270 м над землей и поддерживается семью мачтами. Мост был построен на главном маршруте к курортам Средиземного моря, проложенном с целью уменьшить количество машин, проезжающих через долину в отпускной период.

Основные данные

Местоположение: Долина реки Тарн, Франция

Год постройки: 2004

Длина: 2460 м

Высота: 343 м

Архитектор: Норман Фостер

Стоимость: 450 млн долларов

Лифт Байлун

«Байлун» означает по-китайски «сто драконов». Этот стеклянный лифт поднимает туристов вверх по отвесной скале в национальном парке Чжанцзяцзе — лесном регионе с обрывистыми холмами и каменными столбами. Эта конструкция является самым высоким и тяжелым открытым лифтом в мире, способным поднимать до 50 человек одновременно. Работая на полную мощность, он перевозит по 1380 человек в час. Из кабины лифта открываются потрясающие виды.

Основные данные

Местоположение:

Чжанцзяцзе, Китай

Год постройки: 2002

Высота: 326 м

Вместимость: 50 человек

Стоимость: 17,5 млн долларов

Купол тысячелетия

Это покрытое пластиком здание было построено на берегу Темзы в честь наступления третьего тысячелетия. Купол тысячелетия — один из крупнейших куполов в мире, опирающийся на высокие металлические башни. Размеры купола в метрической системе отражают основные единицы календаря. Его поддерживают 12 башен, по одной на каждый месяц года. Самая высокая его точка находится на высоте 52 м — по 1 м на каждую неделю года, а ширина кольцевой структуры 365 м — по 1 м на каждый день стандартного года.

Основные данные

Местоположение: Лондон, Англия

Год постройки: 2000

Длина: 365 м

Высота: 52 м

Архитектор: Ричард Роджерс

Стоимость: 1,25 млрд долларов

Город автомобилей

Autostadt, или «город автомобилей» в Вольфсбурге, Германия, где находятся основные производственные мощности Volkswagen, виден издалека благодаря двум круглым стеклянным башням. Это автоматизированные автомагазины. Новые автомобили с завода поступают по подземному туннелю в подвал хранилища, а затем поднимаются с помощью роботизированных лифтов в одно из складских помещений, расположенных по краю здания. Каждое хранилище способно вместить 400 автомобилей, и туристы могут взглянуть на них поближе, проехав в пассажирском отсеке, который прикреплен к одному из лифтов.

Основные данные

Местоположение: Вольфсбург, Германия

Год постройки: 2012

Высота: 61 м

Вместимость: 400 машин

Владелец: Volkswagen

Эрикссон-Глоб

Эта крытая арена — самое большое сферическое здание в мире. В основном в нем проходят матчи по хоккею и мини-футболу, однако его можно использовать и для проведения концертов и больших телешоу. Эрикссон-Глоб — самый большой объект в Шведской Солнечной системе — модели Солнечной системы в масштабе 1:20 млн, элементы которого разбросаны по всей стране. В ней Эрикссон-Глоб изображает Солнце, а граница гелиосферы находится у Шведского института космической физики в шведской Лапландии.

Основные данные

Местоположение: Стокгольм, Швеция

Год постройки: 1989

Длина: 110 м

Высота: 85 м

Вместимость: 16 000 человек

Архитекторы: Сванте Берг и Ларс Вретблад

Пекинский национальный стадион

Этот стадион известен также как «Птичье гнездо». Он был построен в качестве основного места проведения Олимпийских игр 2008 г. В центре стадиона находится бетонная «чаша», вмещающая 80 000 сидений для зрителей и внутренние помещения. Снаружи здание окружено сетью переплетенных стальных элементов. Несмотря на сходство с гнездом, стадион является отражением древних традиций китайской керамики.

Основные данные

Местоположение: Пекин, Китай

Год постройки: 2008

Длина: 330 м

Высота: 69,2 м

Проектировщик: Ай Вэйвэй

Стоимость: 423 млн долларов

Проект «Эдем»

Проект «Эдем» — это ботанический сад, расположенный на рекультивированной территории карьера, где раньше добывали глину. В «Эдеме» под пластиковыми куполами созданы природные комплексы из разных уголков Земли. Купола состоят из заполненных воздухом шестиугольных блоков, которые имеют форму линзы, благодаря чему в оранжереях поддерживается достаточно высокая температура.

Основные данные

Местоположение: Корнуолл, Англия

Год постройки: 2000

Тропический биоценоз: 1,58 га

Средиземноморский биоценоз: 0,65 га

Архитектор: Николас Гримшоу

Число посетителей: 1,3 млн в год

«Кривой домик»

«Кривой домик» (польск. Krzywy Domek) — часть торгового центра в Сопоте, приморском курортном городе на побережье Балтийского моря. Вид здания был вдохновлен рисунками Яна Марцина Шанцера, который иллюстрировал детские книги.

Основные данные

Местоположение: Сопот, Польша

Год постройки: 2004

Площадь основания: 4000 кв. м

Архитекторы: Шотинский и Залевский

Си-Эн Тауэр

Первое время башня называлась Канадской национальной башней (CN Tower) и была самым высоким отдельно стоящим сооружением в мире. Сейчас этот титул занимает Бурдж Халифа, но Си-Эн Тауэр остается самым высоким сооружением в Северной Америке и во всем Западном полушарии. Поначалу она задумывалась как телекоммуникационная башня, но сегодня стала главной туристической достопримечательностью, принимая посетителей. В башне можно пройтись по прозрачному полу, через который можно смотреть прямо вниз!

Основные данные

Местоположение: Торонто, Канада

Год постройки: 1976

Высота: 553 м

Архитекторы: Джон Эндрю, Вебб Зерафа и Менкес Хаузден

Стоимость: 48 млн долларов

Content

Том Джексон
Взламывая технологии

Введение

Применение научных открытий

Технология работы с камнем

Приручение огня

Первые лодки

Керамика

Мегалит

Постройка городов

Плуг

Обработка металлов

Колесо

Натягиватели веревок

Зиккурат

Пирамиды

Арка

Орошение

Трирема

Большая клоака

Ледник

Парфенон

Водяное колесо

Пон-дю-Гар

Простые механизмы

Пантеон

Бумага

Порох

Компас

Галеон

Великая китайская стена

Подводная лодка

Вакуумный насос

Часы с маятником

Паровой двигатель

Сеялка

Воздушный шар

Гидравлика

Промышленная революция

Электрический мотор

Очистка воды

Системы охлаждения

Океанский лайнер

Велосипед

Туннель под Темзой

Производство стали

Пластмасса

Броненосец

Метро

Трансконтинентальная железная дорога

Телефон

Лампочка

Электростанция

Бруклинский мост

Небоскреб

Автомобиль

Турбина

Радиосвязь

Flyer I

Панамский канал

Танк

Автомагистраль

Телевидение

Гидроэлектростанции

Дирижабль

Радар

Ракетный двигатель

Вертолет

Реактивная сила

Цифровой компьютер

Ядерная энергия

Транзистор

Лазер

Спутник

Удобрения

Нефтяная платформа

SR-71 Blackbird

Интернет

«Аполлон»

Аэробус

ЖК-дисплей

Генная инженерия

МРТ

Bagger 288

Супертанкер

Самолет-невидимка

Всемирная паутина

Литиевая батарея

GPS

Оптический диск

Мост-туннель

МКС

Пальмовые острова

Смартфон

Дрон

Электронные чернила

Бурдж Халифа

Топливный элемент

Беспилотный автомобиль

Марсоход Curiosity

Робот Atlas

Энергия ветра

Поезд на магнитной подушке (маглев)

Солнечная энергетика

Инженерное дело. Основы

Двигатели

Транспорт

Строительство

Материалы

Нерешенные вопросы

Чудеса техники