В Афганистане ветряные мельницы впервые появились в IX в. Лопасти ветряного колеса располагались в вертикальной плоскости и были прикреплены к валу, который и приводил в действие верхний жернов. Почти одновременно с ветряными мельницами были изобретены и регулирующие устройства. Они были необходимы, поскольку крылья мельницы были связаны с жерновом практически напрямую и, следовательно, скорость его вращения очень зависела от капризов ветра. В Афганистане все мельницы и водочерпальные колеса приводились в движение господствующим северным ветром, поэтому ориентировались только по нему. На мельницах были устроены люки, которые открывались и закрывались, чтобы регулировать силу ветра.
В Европе ветряные мельницы появились в XII в., в основном в тех местах, где было недостаточно рек. По своей конструкции они отличались от водяных мельниц лишь положением движителя и главного вала.
Различают два вида ветряных мельниц. В первом при смене направления ветра поворачивается весь корпус мельницы, во втором – лишь головная часть.
Следует отметить, что ветряные мельницы, которые являются неотъемлемой частью пейзажа Голландии, предназначены не для помола зерна, а для откачки воды. Поэтому можно отметить, что изобретение, сделанное в Афганистане, помогло сохранить европейскую страну.
Метрополитен
В середине XIX в. в крупных городах мира остро встала транспортная проблема. Население некоторых городов составляло 1 млн человек и более. Основным средством передвижения был транспорт на конной тяге. Кареты и омнибусы не справлялись с возросшим объемом перевозок. Улицы городов, построенные еще в XVI–XVIII вв., были узкими и не позволяли осуществлять оживленное движение.
Единственным выходом из данной ситуации было строительство дорог под улицами городов. Строительство первого метрополитена началось в Лондоне. Оно стало возможным благодаря изобретенному в 1814 г. английским инженером М. Брюнелем туннелепроходческому щиту. Образцом для его создания послужил морской моллюск-древоточец, пробуривавший отверстия в затонувших кораблях при помощи раковины.
В 1818 г. Брюнель получил патент на изобретение, представлявшее собой механическую копию древоточца, предназначенного для бурения туннелей. В дальнейшем по образцу этого изобретения были построены механизированные проходческие щиты.
В 1846 г. Ч. Пирсон создал свой проект подземной железной дороги и представил его Королевской комиссии по делам столичных железных дорог. Для его осуществления в 1853 г. создается компания North Metropolitan Railway. Именно она дала название новому виду транспорта. Слово "метрополитен" в переводе означает "столичный".
Строительство метрополитена началось в 1860 г. 10 января 1863 г. состоялось открытие первой линии лондонской подземки. Она соединяла станции Фаррингдон-Стрит и Паддингтон, между которыми находилось 5 промежуточных станций. Ее длина составляла 3,6 км. Общее время поездки – 33 минуты. Составы двигались при помощи паровозов. В вагонах было газовое освещение. 6 составов, состоящих из 4 вагонов, двигались с интервалом 15 минут. В первый день работы было перевезено 30 000 пассажиров.
Несмотря на то что поездка в метро проходила в туннелях, заполненных паровозным дымом, новый вид транспорта оправдал возложенные на него ожидания. В 1863 г. было принято решение о строительстве кольцевой линии лондонского метрополитена протяженностью 30 км. Она была открыта в 1884 г., на одной станции соединялась с первой линией.
В 1868 г. в Нью-Йорке была пущена первая линия надземной железной дороги, расположенной на металлических эстакадах. Сначала использовалась канатная тяга. В 1871 г. ее заменили на паровую, а в 1890 г. – на электрическую.
В 1890 г. первая электрифицированная линия появилась и Лондоне. Оплата поездки не зависела от дальности и равнялась двум пенсам.
В 1896 г. первая линия метрополитена была запущена в Будапеште. Открытие парижского метрополитена было приурочено к началу промышленной выставки 1900 г. Впоследствии метрополитены появились в Мадриде, Афинах, Буэнос-Айресе, Токио и других городах. Нередко в одном и том же городе проектирование, строительство и эксплуатацию отдельных линий вели разные фирмы. Поэтому метро не представляло единой сети. Различные линии отличались шириной колеи и напряжением в электрической контактной сети.
Первые проекты московского метрополитена появились еще до Октябрьской революции, но они не были осуществлены из-за недостатка средств. В 1931 г. пленум ЦК ВКП (б) принял решение о начале его строительства. Для этого была создана организация "Метрострой". В 1932 г. началось строительство, в 1935 г. были пущены первые линии общей протяженностью 11,6 км с 13 станциями. Строительство московского метро не прекращалось даже в годы Великой Отечественной войны.
В 1960 г. была пущена первая линия Киевского метро. В Украине, кроме киевского, метрополитен есть еще в Харькове и Днепропетровске.
В современных городах на долю метрополитена приходится значительная часть пассажирских перевозок, превышающая долю остальных видов городского транспорта.
Кроме подземных и надземных линий существуют наземные линии метро, построенные в районах с небольшой плотностью застройки. На отдельных линиях метрополитена в Париже, Монреале, Мехико и Саппоро (Япония) построена специальная колея с бетонными дорожками для поездов на пневматических шинах.
Сети метрополитена могут быть: с независимым движением поездов по отдельным линиям (как в Советском Союзе), с переходом части поездов с одной линии на другую (Лондон, Нью-Йорк) и комбинированные. Расстояние между станциями может составлять 500–800 м (Берлин, Мадрид, Милан и др.) или 1–2 км в городах бывшего СССР. Кроме того, в ряде городов мира (Нью-Йорк, Париж, Сан-Франциско) есть линии скоростного метрополитена, где станции располагаются на расстоянии 3–6 км. Они соединяются переходами со станциями обычного метро.
Современные линии метрополитена проектируются и строятся с учетом расположения жилых районов и предприятий, созданием взаимосвязи с другими видами городского, пригородного и междугородного транспорта. На расположение туннелей метрополитена оказывают влияние инженерно-геологические условия данной местности. В зависимости от этого, а также от плотности застройки данного района, наличия подземных коммуникаций, бывают туннели мелкого (10–15 м) и глубокого (30–50 м) заложения.
Станции метро, расположенные на большой глубине, оборудованы эскалаторами для спуска и подъема пассажиров. Иногда вместо них применяются подъемники лифтового типа.
Строительство линии метрополитена начинается с геодезическо-маркшейдерских работ. В зависимости от глубины залегания и условий строительства применяют открытый и закрытый методы строительства.
Открытый метод применяется при сооружении туннелей мелкого заложения. При этом осуществляется вскрытие поверхности улицы, и туннельные конструкции возводятся в котловане. Движение наземного транспорта либо отводится в сторону, либо проходит по временному мосту через котлован. Подземные сооружения перекладываются или подвешиваются к крепям. Здания, расположенные в зоне строительства, укрепляют. Для перекрытия туннелей применяются стоечно-балочные или сводчатые конструкции, рассчитанные на нагрузки от массы земли и движущегося по поверхности наземного транспорта. Стыки между бетонными звеньями туннеля изолируют и герметизируют, после чего туннели засыпают землей.
Закрытым методом могут сооружаться туннели как глубокого, так и мелкого заложения. Их сооружение начинается со строительства вертикальной шахты, идущей с поверхности земли до нужной глубины. В ней устанавливаются лифты-подъемники, применяющиеся для поднятия наверх выбранной породы и спуска необходимого оборудования и материалов. При достижении требуемой глубины от шахты в нужном направлении начинают прокладывать транспортный туннель. Его строительство ведется при помощи проходческого щита – металлического цилиндра, диаметр которого равен диаметру будущего туннеля. В головной части щита находится кольцевой нож из литой стали. Его продвижение вперед осуществляется при помощи гидравлических домкратов-толкателей. Твердые породы предварительно разрыхляются врубовыми машинами, отбойными молотками или взрывами. В хвостовой части проходческого щита монтируются тюбинги – металлические или железобетонные цилиндрические звенья, свинчивающиеся вместе. Они принимают на себя давление горных пород и предохраняют туннели от обвалов.
Если туннели проходят через водоносные слои, строители применяют специальные методы. Это применение кессонов – специальных камер, в которые для предотвращения поступления воды нагнетают сжатый воздух, замораживание грунтов с последующим бетонированием, водопонижение, химическое закрепление грунтов.
После установки тюбингов начинается прокладка железнодорожных путей, состоящих из двух ходовых и одного контактного рельса, монтаж вентиляционной системы, автоматических устройств сигнализации. На последнем этапе происходит благоустройство вестибюлей станций и отладка всех систем метрополитена.
Метрополитен помог разрешить кризис, связанный с увеличением пассажирских перевозок в больших городах. Сейчас их трудно представить без сияющих букв M или S.
Микроскоп
Глаз человека устроен так, что не может разглядеть предмет, размеры которого не превышают 0,1 мм. В природе же существуют объекты, чьи размеры намного меньше. Это микроорганизмы, клетки живых тканей, элементы структуры веществ и многое другое.
Еще в античные времена для улучшения зрения применялись шлифованные природные кристаллы. С развитием стеклоделия стали изготовлять стеклянные чечевицы – линзы. Р. Бекон в XIII в. советовал людям со слабым зрением класть на предметы выпуклые стекла для того, чтобы их лучше рассмотреть. В это же время в Италии появились очки, состоявшие из двух соединенных линз.
В XVI в. мастера в Италии и Нидерландах, изготовлявшие очковые стекла, знали о свойстве системы из двух линз давать увеличенное изображение. Одно из первых таких устройств изготовил в 1590 г. голландец 3. Янсен.
Несмотря на то что увеличительная способность сферических поверхностей и линз была известна еще в XIII в., до начала XVII в. никто из естествоиспытателей даже не пытался применить их для наблюдения мельчайших предметов, недоступных невооруженному человеческому глазу.
Слово "микроскоп", произошедшее от двух греческих слов – "маленький" и "смотрю", ввел в научный обиход член академии "Dei Lyncei" (рысеглазых) Десмикиан в начале XVII века.
В 1609 г. Галилео Галилей, изучая сконструированную им зрительную трубу, использовал ее и в качестве микроскопа. Для этого он изменял расстояние между объективом и окуляром. Галилей первым пришел к выводу, что качество изготовления линз для очков и для зрительных труб должно быть различным. Он создал микроскоп, подбирая такое расстояние между линзами, при котором увеличивались не удаленные, а близко расположенные предметы. В 1614 г. Галилей рассматривал при помощи микроскопа насекомых.
Ученик Галилея Э. Торричелли перенял у своего учителя искусство шлифовки линз. Кроме изготовления зрительных труб Торричелли конструировал простые микроскопы, состоявшие из одной крошечной линзы, которую он получал из одной капли стекла, расплавляя над огнем стеклянную палочку.
В XVII в. были популярны простейшие микроскопы, состоявшие из лупы – двояковыпуклой линзы, закрепленной на подставке. На подставке укреплялся и предметный столик, на котором размещался рассматриваемый объект. Внизу под столиком находилось зеркало плоской или выпуклой формы, которое отражало солнечные лучи на предмет и подсвечивало его снизу. Для улучшения изображения лупа перемещалась относительно предметного столика при помощи винта.
В 1665 г. англичанин Р. Гук при помощи микроскопа, в котором использовались маленькие стеклянные шарики, открыл клеточное строение животных и растительных тканей.
Современник Гука голландец А. ван Левенгук изготовлял микроскопы, состоявшие из небольших двояковыпуклых линз. Они давали 150–300-кратное увеличение. При помощи своих микроскопов Левенгук исследовал строение живых организмов. В частности, он открыл движение крови в кровеносных сосудах и красные кровяные тельца, сперматозоиды, описал строение мышц, чешуйки кожи и многое другое.
Левенгук открыл новый мир – мир микроорганизмов. Он описал множество видов инфузорий и бактерий.
Много открытий в области микроскопической анатомии сделал голландский биолог Я. Сваммердам. Наиболее подробно он исследовал анатомию насекомых. В 30-е гг. XVIII в. он выпустил богато иллюстрированный труд под названием "Библия природы".
Методы расчета оптических узлов микроскопа разработал швейцарец Л. Эйлер, работавший в России.
Наиболее распространенная схема микроскопа следующая: исследуемый предмет помещается на предметном столике. Над ним располагается устройство, в котором смонтированы линзы объектива и тубус – трубка с окуляром. Наблюдаемый предмет освещается с помощью лампы или солнечного света, наклонного зеркала и линзы. Диафрагмы, установленные между источником света и предметом, ограничивают световой поток и уменьшают в нем долю рассеянного света. Между диафрагмами установлено зеркало, изменяющее направление светового потока на 90°. Конденсор концентрирует на предмете пучок света. Объектив собирает лучи, рассеянные предметом и образует увеличенное изображение предмета, рассматриваемое при помощи окуляра. Окуляр работает как лупа, давая дополнительное увеличение. Пределы увеличения микроскопа от 44 до 1500 раз.
В 1827 г. Дж. Амичи применил в микроскопе иммерсионный объектив. В нем пространство между предметом и объективом заполнено иммерсионной жидкостью. В качестве такой жидкости применяются различные масла (кедровое или минеральное), вода или водный раствор глицерина и др. Такие объективы позволяют увеличить разрешающую способность микроскопа, улучшить контрастность изображения.
В 1850 г. английский оптик Г. Сорби создал первый микроскоп для наблюдения объектов в поляризованном свете. Такие аппараты применяются для изучения кристаллов, образцов металлов, животных и растительных тканей.
Начало интерференционной микроскопии было положено в 1893 г. англичанином Дж. Сирксом. Ее суть в том, что каждый луч, входя в микроскоп, раздваивается. Один из полученных лучей направляется на наблюдаемую частицу, второй – мимо нее. В окулярной части оба луча вновь соединяются, и между ними возникает интерференция. Интерференционная микроскопия позволяет изучать живые ткани и клетки.
В XX в. появились различные виды микроскопов, имеющие разное назначение, конструкцию, позволяющие изучать объекты в широких диапазонах спектра.
Так, в инвертированных микроскопах объектив располагается под наблюдаемым объектом, а конденсор – сверху. Направление хода лучей изменяется при помощи системы зеркал, и в глаз наблюдателя они попадают, как обычно – снизу вверх. Эти микроскопы предназначены для изучения громоздких предметов, которые трудно расположить на предметных столиках обычных микроскопов. С их помощью исследуют культуры тканей, химические реакции, определяют точки плавления материалов. Наиболее широко такие микроскопы применяются в металлографии для наблюдения за поверхностями металлов, сплавов и минералов. Инвертированные микроскопы могут оснащаться специальными устройствами для микрофотографирования и микрокиносъемки.
На люминесцентных микроскопах устанавливаются сменные светофильтры, позволяющие выделить в излучении осветителя ту часть спектра, которая вызывает люминесценцию исследуемого объекта. Специальные фильтры пропускают от объекта только свет люминесценции. Источниками света в таких микроскопах служат ртутные лампы сверхвысокого давления, излучающие ультрафиолетовые лучи и лучи коротковолнового диапазона видимого спектра.
Ультрафиолетовые и инфракрасные микроскопы служат для исследования областей спектра, недоступного человеческому глазу. Оптические схемы аналогичны схемам обычных микроскопов. Линзы этих микроскопов изготовлены из материалов, прозрачных для ультрафиолетовых (кварц, флюорит) и инфракрасных (кремний, германий) лучей. Они снабжены фотокамерами, фиксирующими невидимое изображение и электронно-оптическими преобразователями, превращающими невидимое изображение в видимое.
Стереомикроскоп обеспечивает объемное изображение объекта. Это собственно два микроскопа, выполненные в единой конструкции таким образом, что правый и левый глаза наблюдают объект под разными углами. Они нашли применение в микрохирургии и сборке миниатюрных устройств.
Микроскопы сравнения представляют собой два обычных объединенных микроскопа с единой окулярной системой. В такие микроскопы можно наблюдать сразу два объекта, сравнивая их визуальные характеристики.
В телевизионных микроскопах изображение препарата преобразуется в электрические сигналы, воспроизводящие это изображение на экране электронно-лучевой трубки. В этих микроскопах можно изменять яркость и контраст изображения. С их помощью можно изучать на безопасном расстоянии объекты, опасные для рассмотрения с близкого расстояния, например радиоактивные вещества.
Лучшие оптические микроскопы позволяют увеличить наблюдаемые объекты примерно в 2000 раз. Дальнейшее увеличение невозможно, поскольку свет огибает освещаемый объект, и если его размеры меньше, чем длина волны, такой объект становится невидимым. Минимальный размер предмета, который можно разглядеть в оптический микроскоп – 0,2–0,3 микрометра.
В 1834 г. У. Гамильтон установил, что существует аналогия между прохождением световых лучей в оптически неоднородных средах и траекториями частиц в силовых полях. Возможность создания электронного микроскопа появилась в 1924 г. после того, как Л. Де Бройль выдвинул гипотезу, что всем без исключения видам материи – электронам, протонам, атомам и др. присущ корпускулярно-волновой дуализм, то есть они обладают свойствами как частицы, так и волны. Технические предпосылки для создания такого микроскопа появились благодаря исследованиям немецкого физика X. Буша. Он исследовал фокусирующие свойства осесимметричных полей и в 1928 г. разработал магнитную электронную линзу.
В 1928 г. М. Кнолль и М. Руска приступили к созданию первого магнитного просвечивающего микроскопа. Три года спустя они получили изображение объекта, сформированного при помощи пучков электронов. В 1938 г. М. фон Арденне в Германии и в 1942 г. В. К. Зворыкин в США построили первые растровые электронные микроскопы, работающие по принципу сканирования. В них тонкий электронный пучок (зонд) последовательно перемещался по объекту от точки к точке.