Развитие биологической науки в конце XIX в. связано прежде всего с окончательным утверждением эволюционной теории. Автор «Происхождения видов» (1859) Чарльз Дарвин в 1871 г. опубликовал книгу «Происхождение человека», в которой обосновал процесс его эволюции. Важную роль в разработке эволюционных идей сыграл и Томас Гекели — второй после Дарвина создатель теории видообразования.
Дарвину было ясно, что изменения в отдельном виде порождают эволюцию, но он не смог объяснить, чем вызывается сама изменчивость видов. Природу наследственного механизма раскрыл чешский натуралист Грегор Иоганн Мендель. Он установил, что в ядре каждой клетки содержится некий, по его представлениям, наследственный фактор, содержащий некоторые признаки организма и отвечающий за их передачу по наследству. В результате индивидуальные свойства передаются из поколения в поколение без смешения и усреднения. Свои опыты Мендель завершил в 1866 г., но они не получили признания у современников. Лишь в 1900 г. голландский ученый Хуго де Фриз, немецкий исследователь Карл Эрих Корренс и австрийский биолог Эрих Чермак независимо друг от друга и почти одновременно вторично открыли и сделали всеобщим достоянием законы наследственности Менделя. В 1909 г. датчанин Вильгельм Людвиг Иогансен для обозначения единицы наследственного материала ввел понятие «ген», ставшее общепринятым термином.
Привели к важным открытиям исследования в области цитологии – науки о строении, развитии и функциях клеток. Еще в 70 – 80-х гг. XIX в. Вальтер Флеминг выявил в ядре клетки структурные образования, получившие название «хромосомы». После начатых в 1910 г. опытов Томаса Ханта Моргана стала окончательно ясной связь между генами и хромосомами. Гены являются частью хромосом и носителями отдельных наследственных свойств и признаков, а хромосома содержит наследственную информацию в целом. Но сами гены далеко не во всех случаях устойчивы. Это в 1900 г. заметил Хуго де Фриз, который внезапные изменения признаков у потомков назвал мутациями. Своим возникновением они обязаны либо случайным в развитии организма событиям, либо искусственным воздействиям, при которых поражается один из генов. Развитие биологии и ее составной части – генетики укрепили теорию эволюции живого мира.
Связь науки и техникиВеликие открытия в теоретической науке в момент их свершения в большинстве случаев еще не оказывали непосредственного воздействия на отдельные отрасли промышленного производства или сельского хозяйства. Для этого потребуется время. Но они поднимали общий уровень теоретических исследований, которые давали возможность привести в систему известные данные и на основе целостных знаний о предметах и явлениях дать ключ к решению технических проблем. Дж. Бернал идею приоритета науки в научно-техническом прогрессе выразил словами: «Постоянные и накопленные со временем усовершенствования в технике могут исходить от инженеров, но выдающиеся преобразования происходят лишь в результате вмешательства науки»[21]. Только после того как естествознание открыло и изучило различные виды материи и формы ее движения, многообразные силы природы и их законы, техника получила возможность практически их использовать. Электротехника и электроэнергетика, переработка нефти и химическое производство в целом, моторостроение, авиация и многие другие отрасли стали возможны лишь в результате научных открытий и крупнейших изобретений. Прогресс техники постепенно, но неуклонно оказался в прямой зависимости от научных достижений, машинная индустрия по-существу явилась технологическим воплощением науки.
Технический прогресс XIX – начала XX в.
Завершение промышленной революцииВо второй половине XVIII в. начинается и на протяжении XIX в. завершается переход от мануфактурной формы организации труда к крупной машинной индустрии. Коренная перемена способа производства по своему всеобъемлющему воздействию на все стороны жизни общества и последствиям, которые наступили в результате замены ручного инструментального труда машинным, представляла собой промышленную революцию, или, что одно и то же, промышленный переворот. Его основная черта состояла в переходе от аграрной, ремесленной экономики к преобладающему городскому машинному производству и формированию индустриального общества. В результате возникла крупная машинная фабрично-заводская индустрия, ускорился технический прогресс. Одновременно возросла доля промышленного производства и относительно сократился удельный вес сельского хозяйства в валовом национальном доходе. В социальном плане промышленный переворот привел к формированию и росту численности фабричного пролетариата, усилению и укреплению положения промышленной буржуазии.
Составной частью промышленной революции являлся технический переворот, т. е. процесс коренных изменений технических средств, переход к машинной технике фабричного производства. Крупная фабричная индустрия основывалась на принципиально новом типе рабочих машин, которые получали от двигателя через передаточные механизмы соответствующее движение и совершали своими орудиями операции, выполнявшиеся раньше непосредственно рабочими. Применение машин-орудий позволило разделить технологический процесс на такие составные части, каждую из которых были способны выполнять технические средства. Это в свою очередь обеспечило возможность кооперирования многих машин, в совокупности составлявших взаимосвязанную систему.
Первый этап технической революции начался с появления рабочих машин в текстильном деле. Второй ознаменовался изобретением универсального теплового двигателя, представленного паровой машиной. Третий связан с созданием рабочих машин в машиностроении, что оказалось возможным после изобретения суппорта, или резцедержателя. Производство машин самими машинами обеспечило массовый выпуск машинной техники для всех отраслей промышленности. Наступила эра господства машин.
По отдельным регионам техническая революция, как и в целом промышленный переворот, протекала отнюдь не синхронно. Англия стала страной, открывшей эпоху промышленной революции. Здесь в связи с повышением спроса на промышленные изделия, удовлетворить который оказалось возможным только с помощью механизации, она началась в 60 – 80-е гг. XVIII в. и завершилась в 30 – 50-е гг. XIX в. Первоочередное развитие базовых отраслей производства, обеспечивших промышленность сырьем и полуфабрикатами – каменным углем, железом, пряжей, обеспечило подъем всей обрабатывающей промышленности. Массовое распространение машин и фабричного производства во всех отраслях и по всей стране привело к окончательной победе машины над остатками ремесленного производства. В результате многократного увеличения производительной силы технических средств в Англии в 1840 г. за день изготовлялось товаров в 27 раз больше, чем в 1770 г., когда страна только начинала переходить к образованию машинно-фабричной системы. На ее долю приходилось примерно половина мирового рынка промышленных изделий и около трети мирового промышленного производства. Но значение промышленной революции не сводилось к одному только росту производства. Она изменила социальную структуру общества, весь уклад жизни тех людей, кто оказался вовлеченным в ее орбиту.
Вслед за Англией промышленный переворот произошел и в других странах Европы, хотя в силу специфических особенностей каждой из них протекал в более поздние сроки. Во Франции, пока производство ориентировалось на выпуск изделий ручной выработки, потребность в механизации ощущалась слабо, и лишь с повышением спроса на промышленную продукцию и возникновением в связи с этим дефицита сырья и полуфабрикатов разворачивается промышленная революция в базовых отраслях, завершившаяся к 60-м гг. В Германии аналогичный процесс длился еще дольше – до 90-х гг. XIX в. Несмотря на асинхронность промышленных переворотов, повсюду в итоге капиталистический способ производства, составлявший до этого лишь один из укладов, становился господствующим. Завершение промышленных революций создало базу для развертывания фабричного производства, характеризовавшегося широкомасштабной организацией производственного процесса, более глубоким разделением труда, изготовлением изделий не вручную, а машинами. В связи с этим возросли роль науки, ее влияние на материальное производство, возникла объективная потребность в массовом внедрении технических изобретений и усовершенствований. Это вызвало глобальные последствия. Господство машинного производства означало становление индустриальной цивилизации. Фабрика стала определять экономический облик Европы, а машина приобрела черты символа эпохи. Научно-технический прогресс стал важнейшим фактором, позволившим Западной Европе возвыситься над остальным миром.
Возросшее значение машин в различных отраслях производства вызвало интенсивное развитие машиностроительной промышленности и ее технической базы – станкостроения. Основной линией развития станочного парка стал переход к специализированным станкам, предназначенным для выполнения одной или нескольких аналогичных операций. Сужение функций станков вело к упрощению выполнявшихся операций и создало условия для использования автоматизированных процессов.
Рост объема металлообработки вызвал необходимость усовершенствования средств резания металлов. Был создан ряд твердых сплавов для режущих инструментов, повышена точность изготовления деталей машин. Английский станкостроитель Джозеф Витворт ввел в практику машиностроения измерительные калибры, которые позволяли измерять обрабатываемые поверхности с точностью до тысячных долей миллиметра, впервые стандартизировал резьбу на винтах, что впоследствии дало толчок к созданию унифицированных деталей и узлов машин.
Параллельно шло техническое совершенствование других видов металлообрабатывающих машин. В 70 – 80-х гг. на заводах Круппа в Германии работали паровые молоты с массой падающих частей 50–75 т, а в 1891 г. в США построили молот с массой рабочей части 125 т. Сложность эксплуатации таких установок побудила к производству гидравлических прессов. С их помощью удавалось создавать усилия, эквивалентные усилиям молота с массой падающей части до 500 т.
Поточное производствоНовые явления в машиностроении имели далеко идущие последствия. Формирование системы металлообрабатывающих машин в сочетании с применением точных измерительных инструментов и внедрением стандартов подготовило техническую базу для перехода от индивидуального к мелкосерийному, а затем к серийному, крупносерийному и массовому производству. Для него характерна организация поточных линий, т. е. набора рабочих машин, расположенных в технологически обусловленной последовательности. Передача обрабатываемых изделий после выполнения операции на следующее рабочее место обеспечивалась межоперационными транспортными устройствами. В наиболее механизированных производствах это были конвейерные системы изготовления и сборки изделий. Впервые поточное производство осуществила автомобилестроительная компания Генри Форда, а теоретическое обоснование дал Фредерик Тейлор. Технология организации труда, получившая его имя, направлялась на максимальное уплотнение рабочего дня, рациональное использование средств производства и орудий труда, повышение производительности.
Машины-двигателиВплоть до 70 – 80-х гг. XIX в. в крупном промышленном производстве в качестве силовой установки доминировали универсальные поршневые паровые машины. Благодаря многим техническим изобретениям они стали значительно совершенней: появились более производительные паровые котлы и многоцилиндровые двигатели, намного повысилась мощность, а коэффициент полезного действия к концу века увеличился впятеро. Но на определенном этапе развития паровые машины стали сдерживать развитие производства и морского транспорта. Они оставались относительно тихоходными, требовали при изготовлении много металла, были громоздкими, использовавшийся трансмиссионный привод исключал возможность перехода к прогрессивному поточному производству, к тому же оказались совершенно непригодными для зарождавшегося автомобилестроения.
Одно из направлений поиска новой двигательной установки состояло во внедрении паровой турбины, в которой энергия сжатого водяного пара непосредственно превращается в механическую энергию вращательного движения вала (ротора) без какой-либо передачи. Наиболее удачно эту проблему независимо друг от друга решили Карл Густав Лаваль в 1883 г. и Чарльз Парсонс в 1884–1885 гг. Уже в 1894 г. был проведен удачный эксперимент по оснащению турбинами корабля, вскоре турбинные установки получили широкое распространение в морском коммерческом и военном кораблестроении, на тепло– и гидростанциях.
Путь к созданию двигательной установки, пригодной для механических безрельсовых транспортных средств, наметил Этьен Ленуар, который в 1860 г. построил напоминавший паровую машину газовый двигатель. Сделать его более эффективным удалось в 1876 г. Николаю Августу Отто. Он создал двигатель внутреннего сгорания с четырехтактным циклом. Этот принцип сохранился и в моторах нашего времени, но сам двигатель Отто оказалось возможным использовать лишь для работы в стационарных условиях.
Быстроходным, компактным и легким двигатель стал после перехода на жидкое горючее. Приоритет в этом принадлежит Готлибу Даймлеру, создавшему в 1882 г. бензиновый мотор. В 1896–1899 гг. Рудольф Дизель сконструировал двигатель, способный работать на тяжелом жидком топливе. Сложились предпосылки для бурного роста автомобилестроения, а также, тракторо– и самолетостроения.
ЭлектротехникаЕще в первой половине XIX в. открытия Андре Мари Ампера, Майкла Фарадея, Эмиля Ленца и других ученых создали теоретическую основу практической электротехники, выявили возможность превращения электрической энергии в механическую. Многочисленные попытки создания электродвигателей шаг за шагом приводили к удачным техническим решениям. В двигателе, который в 1834 г. построил Б.С. Якоби, электромагнитные воздействия преобразовывались во вращательное движение; этот эффект в будущем позволил электродвигателю стать универсальным.
Одновременно шло последовательное совершенствование генераторов – машин, «производящих» электрический ток за счет другой энергии: механической, тепловой, химической. В конце 60-х гг. Кромвель и Самюэль Варли, а также Вернер
Сименс создали первые генераторы постоянного тока. Они получили название динамо-машин. Их надежность и эффективность были низкими, однако в 1870 г. Зеноб Теофил Грамм, а затем в 1873 г. Фридрих Гефнер-Алыпенек внесли столь кардинальные изменения, что динамо-машина стала пригодной для питания электрических двигателей, освещения и других целей. В этом же 1873 г. Ипполит Фонтен на практике доказал, что динамо-машина может работать и генератором, и двигателем, т. е. превращать механическую энергию в электрическую и наоборот – преобразовывать электрическую энергию в механическую. С началом XX в. электрические двигатели, получив репутацию безотказного и экономичного источника механической энергии, начали активно внедряться в производство. Здесь они прежде всего дали возможность оснастить каждый станок собственным электродвигателем с индивидуальным приводом, что обеспечило простоту и быстроту пуска, возможность регулировать скорость вращения, компактность, приспособляемость к любым производственным процессам.
На протяжении 70-х гг. был найден способ использования электрической энергии для освещения. А.Н. Лодыгин предложил лампы накаливания с угольными стержнями, П.Н. Яблочков их усовершенствовал, Томас Эдисон создал вакуумную лампу с угольной нитью, которую затем заменили вольфрамовой.
Электродвигатель, электропривод, электроосвещение имели практический смысл лишь при условии решения проблемы транспортировки электрической энергии от производителя к потребителю. В 1882 г. Марсель Депре построил линию электропередачи протяженностью 57 км. Изобретения Николы Теслы и М.О. Доливо-Добровольского в области электротехники, генерирования и передачи электроэнергии позволили осуществить экономичное электроснабжение на большие расстояния, начать широкую электрификацию. Со второй половины 90-х гг. в экономически развитых странах развернулось массовое строительство электрических станций.
Железнодорожный и городской транспортВ последней трети XIX– начале XX в. установились надежные и разветвленные транспортные сообщения в большинстве стран и между ними. Многие железные дороги пролегли на тысячи километров. Железнодорожный транспорт оказал огромное воздействие на развитие экономики не только как наиболее эффективное средство перемещения людей и грузов, но и как крупнейший потребитель металла, угля, паровых машин и других механизмов, строительных материалов, древесины. Коренной модернизации подверглась и сама железнодорожная техника. Совершенствование паровозов, замена железных рельсов стальными обеспечили скорость поездов в 100 и более километров в час, а их грузоподъемность – в сотни тонн. Появились новые типы вагонов, в том числе четырехосные пассажирские и товарные пульмановские, названные так по имени их создателя Джорджа Пульмана. Джордж Вестингауз в 1869 г. изобрел пневматический тормоз, нашедший повсеместное применение после 1872 г., когда его действие было автоматизировано. От ручной винтовой сцепки вагонов начали переходить к автоматической.