Вернер Сименс, впервые продемонстрировавший на Берлинской промышленной выставке 1879 г. действующую электрическую железную дорогу, реализовал идею применения на транспорте электродвигателя. Интенсивная инженерная мысль привела в последующие годы к созданию городского электрифицированного транспорта – трамвая. В 1885 г. Чарльз Джозеф Ван-Депуль построил в канадском городе Торонто трамвай с одним воздушным рабочим проводом, подвешенным на столбах с изоляторами. Эта система оказалась столь рациональной, что вскоре получила общее признание. В 1890 г. воздушный провод впервые появился в Европе на трамвайной линии в Галле (Пруссия). К 1890 г. в крупнейших городах США и Европы трамвай, который зарекомендовал себя одним из наиболее экономичных и массовых видов городского транспорта, полностью вытеснил конку.
Появление городов с миллионным и более населением превратило внутригородские перевозки в серьезную проблему. Во многом ее решил метрополитен – надземный (на эстакадах) и подземный. Первую подземную дорогу построили в Лондоне в 1863 г. Она была неглубокого залегания, длиной всего 3,6 км и обслуживалась паровозами. Переломным рубежом явился переход в 1890 г. лондонского метрополитена на электрическую тягу. Она быстро показала свои преимущества, и метростроение получило мощный стимул к широкому развитию. Метрополитены открываются в Будапеште (1896), Вене (1898), Париже (1900), Берлине (1902), Гамбурге (1912), ряде городов Американского континента.
Морской транспортДостижения науки и техники создали необходимую основу для удовлетворения возросших потребностей в морских перевозках. Этапным событием в кораблестроении стал спуск на воду в 1858 г. английского колесно-винтового парохода с дополнительным парусным оснащением «Грейт Истерн», который в 5 раз превышал водоизмещение наиболее крупных кораблей-предшественников. Он отразил черты уходившей эпохи парусного флота и технического прогресса XIX в., который воплотился в новейших по тем временам идеях: конструкция предусматривала двойное дно, поперечные переборки, продольную систему набора корпуса (через столетие так будут строиться все сверхбольшие корабли). Корабль был обшит железными листами – спор между деревом и железом был разрешен окончательно. «Грейт Истерн» имел три паровые машины: отдельно для поворота руля, вращения гребного винта и бортовых гребных колес. Судно было рассчитано на рейс без промежуточной загрузки топлива из Англии в Австралию вокруг Африки с 4 тыс. пассажиров или 10 тыс. солдат и 6 тыс. т груза в трюмах (фактически оно эксплуатировалось на трансатлантической линии, а затем использовалось как кабелеукладчик в Атлантическом и Индийском океанах.
С началом массового производства стали железо уступило ей место и в кораблестроении. Три первых стальных корабля построили в Англии в 1864 г., но преимущественно стальное кораблестроение начинается с конца 80-х гг. Только тогда был превзойден по размерам «Грейт Истерн». В Англии строятся лайнеры «Селтик» (1903), «Лузитания» и «Мавритания» (1907), однотипные «Олимпик» (1911) и «Титаник» (1912), совершивший единственный и трагически закончившийся рейс. На морские маршруты вышли и суда специального назначения: рефрижераторы для перевозки скоропортящихся грузов, нефтеналивные танкеры, ледоколы.
Создание и развитие автомобиляПоявление двигателя внутреннего сгорания стало решающей предпосылкой для создания автомобиля. На первенство в его изобретении претендовали 416 человек, но приоритет официально признан за Готлибом Даймлером и Карлом Бенцем. Не будучи даже знакомы, они спроектировали и построили в 1885–1886 гг. самодвижущиеся повозки, защищенные надлежащими патентами. Лишь в 1926 г. образованные ими автомобильные фирмы слились в компанию «Даймлер-Бенц».
Первая машина Даймлера была двухколесной, фактически прообразом современного мотоцикла. Для второго экземпляра был использован четырехколесный фаэтон. Бенц построил трехколесную машину. Автомобили Даймлера и Бенца не нашли спроса в Германии, и изобретатели продали свои патенты во Францию, что надолго сделало ее ведущей автомобильной державой. Здесь проявили себя и другие выдающиеся конструкторы. Эмиль Лавассор предложил новую компоновку автомобиля, при которой двигатель и радиатор охлаждения располагались впереди. В гонке 1895 г. приняла участие машина с пневматическими шинами. В 1898 г. Луи Рено заменил цепной привод карданным валом, а затем установил рулевое колесо. Автомобили начала XX в. отличались исключительно тщательной подгонкой деталей и отделкой, непрерывно и быстро совершенствовались, расширился диапазон их применения. В 1904–1905 гг. появились автобусы. К 1914 г. в Лондоне их было более двух тысяч. С повышением надежности машин уже в начале века развернулось производство грузовых автомобилей. В 1905 г. изобрели счетчик-таксометр, отсюда таксомоторы, такси, ставшие неотъемлемой частью городского транспорта. В дни сражения на Марне во время Первой мировой войны французское командование мобилизовало 1200 парижских таксомоторов, за одну ночь перебросивших пехотную бригаду на расстояние 50 км. Это было первым в истории использованием автомобильного транспорта для массовых военных перевозок.
ВоздухоплаваниеЗадача создания самолета усилиями многих ученых и конструкторов в теоретическом плане оказалась близкой к решению уже к концу XIX в. Первые же успешные полеты на аэроплане связаны с именами братьев Вилбура и Орвилла Райт. Начав конструкторскую деятельность в 1899 г., они построили оснащенный бензиновым мотором самолет, названный ими «Флайер», т. е. летающий. 17 декабря 1903 г. Райт четырежды поднимался в воздух, продержавшись в полете от 12 до 59 с. На Европейском континенте впервые полет на самолете собственной конструкции совершил 23 октября 1906 г. Альберто Сантос-Дюмон, преодолевший расстояние в 60 м. Создаются новые, более совершенные модели, и 25 июля 1909 т. Луи Блерио перелетел через Ла-Манш. Повышение летных возможностей авиационной техники позволило выйти за рамки спортивного применения самолетов, использовать их для грузовых и почтовых перевозок, в военных целях.
В конце XIX – начале XX в. получило развитие дирижаблестроение, и здесь стимулирующим фактором стал компактный бензиновый двигатель. Наибольших успехов добился немецкий инженер и предприниматель Фердинанд Цеппелин. Он построил несколько гигантских дирижаблей. Наибольший из них имел длину 200 и диаметр 24 м, развивал скорость более 100 км в час, пролетал до 7400 км и поднимался в высоту на 4 км. Эксплуатация показала и недостатки дирижаблей: сложность наземного базирования, пожароопасность, уязвимость.
Создание автомобиля и воздухоплавательных аппаратов оказалось возможным на базе синтеза ряда отраслей промышленности, а потому не только революционизировало транспорт, но и стимулировало прогресс металлургии, машиностроения, химии и многих других видов производства.
МеталлургияК 70-м гг. XIX в. быстро развивавшиеся машиностроение, железнодорожный и морской транспорт потребовали значительного расширения производства черных металлов и повышения их качества. В связи с этим усовершенствовался процесс производства чугуна: увеличились размеры доменных печей, модернизировалась их конструкция, вводились новые вспомогательные устройства. К концу столетия сложилась конструкция доменной печи, принципиально не отличавшаяся от современной. Металлурги стали больше внимания уделять подготовке железной руды к плавке, применять ее дробление, обжиг, промывку. В начале XX в. внедрился процесс агломерации, заключавшийся в укрупнении мелких руд путем спекания в специальных устройствах. Почти повсеместно в качестве топлива для выплавки чугуна стали применять каменноугольный кокс[22], вытеснивший антрацит и древесный уголь. В результате резко повысилась производительность доменных печей, а мировая выплавка чугуна возросла с 4,5 млн т в 1850 г. до 78,4 млн т в 1913 г.
Сложной была и научно-техническая проблема переплавки чугуна в железо и сталь. Применявшийся вплоть до 70-х гг. XIX в. метод пудлингования чугуна[23] ввиду его медленности и трудоемкости уже не мог удовлетворить потребности тяжелой промышленности. Английский изобретатель Генри Бессемер в 1855–1860 гг. создал новый способ передела чугуна в ковкое железо и сталь. Он сконструировал специальную установку – конвертер, где через жидкий чугун продувается сжатый воздух. Превращение чугуна в сталь в конвертере происходит в результате окисления кислородом воздуха входящих в состав чугуна углерода, кремния и марганца, очищения металла от их избытка. Процесс бессемерования происходит без подвода тепла извне и без применения какого-либо горючего материала: необходимое тепло образуется благодаря химической реакции окисления железа и его примесей. Выплавка стали этим способом протекает чрезвычайно быстро. В конвертере 10–15 т чугуна превращаются в железо или сталь за 10 мин. Чтобы получить такое же количество стали, требовалось несколько дней работы пудлинговой печи.
Сложной была и научно-техническая проблема переплавки чугуна в железо и сталь. Применявшийся вплоть до 70-х гг. XIX в. метод пудлингования чугуна[23] ввиду его медленности и трудоемкости уже не мог удовлетворить потребности тяжелой промышленности. Английский изобретатель Генри Бессемер в 1855–1860 гг. создал новый способ передела чугуна в ковкое железо и сталь. Он сконструировал специальную установку – конвертер, где через жидкий чугун продувается сжатый воздух. Превращение чугуна в сталь в конвертере происходит в результате окисления кислородом воздуха входящих в состав чугуна углерода, кремния и марганца, очищения металла от их избытка. Процесс бессемерования происходит без подвода тепла извне и без применения какого-либо горючего материала: необходимое тепло образуется благодаря химической реакции окисления железа и его примесей. Выплавка стали этим способом протекает чрезвычайно быстро. В конвертере 10–15 т чугуна превращаются в железо или сталь за 10 мин. Чтобы получить такое же количество стали, требовалось несколько дней работы пудлинговой печи.
Но в изобретении Бессемера были и изъяны. В частности, не удавалось освобождать металл от вредных примесей серы и фосфора, которые целиком переходили в сталь. Выход нашел английский металлург Сидней Томас, предложивший в 1878 г. применить для огнеупорной кладки доломитовый кирпич и вводить в конвертер 10–15 % извести. Это привело к тому, что фосфор и сера удерживались в образовывавшихся шлаках. В результате количество фосфора снижалось с 1–2 % в чугуне до сотых долей процента в стали. Открытие Томаса позволило ввести в промышленный оборот огромные залежи фосфористых железных руд, в том числе Лотарингского бассейна, чем в максимальной степени воспользовалась Германия.
В то же время конвертеры не позволяли перерабатывать так называемый скрап – металлический лом, который в изобилии имелся в развитых странах. Ситуацию исправил французский металлург Пьер Мартен, который в 1884 г. построил сталеплавильную печь, названную его именем. Мартеновская печь позволяла за счет более высокой температуры и других технических особенностей выплавлять сталь из смеси 30 % чугуна и примерно 70 % железного и стального лома. Высокая производительность и хорошее качество выплавляемой стали сделали мартеновский процесс преобладающим в сталелитейном производстве.
В конце XIX – начале XX в. были найдены способы использования энергии электрического тока для получения наиболее качественных сортов стали. Ряд инженеров из Франции, Италии, Швеции, России предложили конструкции электропечей. Их преимущества по сравнению с другими сталеплавильными агрегатами состояли в возможности достижения более высокой температуры, способности переплавлять скрап легированных сталей, производить высококачественные сплавы с тугоплавкими легирующими элементами. Электропечи нашли широкое применение для получения ферросплавов[24], выплавки цветных металлов, в том числе алюминия. Алюминиевая промышленность уже в начале XX в. выросла в крупную отрасль.
Химическая промышленностьВ последней трети XIX – начале XX в. значительно продвинулась вперед промышленная химия. При изготовлении минеральных удобрений, солей, кислот, красителей, взрывчатых веществ, в металлургической, нефтяной, текстильной промышленности широко использовалась серная кислота. Масштабы ее производства во многом стали определять уровень этих и других отраслей. Традиционные методы получения серной кислоты оказались недостаточными, и многие исследователи пытались найти новые пути. Наиболее удачными оказались идеи и практические разработки немецкого ученого Клеманса Александра Винклера и его соотечественника инженера Рудольфа Книтча. Они предложили и внедрили принципиально новую, так называемую контактную, технологию, что дало возможность производить серную кислоту любой концентрации и в необходимых количествах. С наибольшей выгодой этим изобретением воспользовались немецкие промышленники, обеспечившие за счет него преимущество на международном рынке анилинокрасочной промышленности.
Другим важным компонентом ряда технологических процессов является сода. В 1861 г. бельгийский инженер Эрнест Сольее предложил новый способ ее получения из естественных или искусственных растворов поваренной соли, известняка и аммиачной воды, причем сам процесс был более коротким, не вызывал загрязнения окружающей среды и давал соду высокой чистоты. Он оказался настолько удачным, что в своей основе дошел до наших дней.
Изобретение и массовое распространение двигателей внутреннего сгорания, развитие производства синтетических веществ и материалов создали широкое поле деятельности для нефтеперерабатывающей промышленности. До 70-х гг. нефтеперегонные заводы изготовляли преимущественно керосин, который использовался для освещения, а также в качестве растворителя и при очистке поверхностей в технике и медицине. С развитием автомобильного транспорта и авиации возросло потребление бензина, тяжелых видов топлива и смазок.
Внедрение прогрессивных методов нефтепереработки позволило выпускать многие ценные продукты: синтетические органические материалы, ароматические вещества, нафталин, парафин, вазелин, смолы и т. п. В других отраслях химического производства были усовершенствованы технологии переработки древесины и получения бумаги, производства специальных видов стекла и изделий из него, изготовления маргарина, моющих и косметических средств, лекарственных препаратов, красящих и клеящих веществ, удобрений. Химическая индустрия превратилась в одну из ведущих отраслей хозяйства.
СтроительствоВ XIX – начале XX в. в промышленном и гражданском строительстве по-прежнему преимущественно использовался кирпич, но заметно возросло значение и других строительных материалов. Прежде всего изменилась роль железа. Его не только стали применять для покрытия крыш и изготовления крепежных деталей, но и использовать в качестве опор и каркасов сооружений. Каркасные конструкции позволяли возводить дома в 40 и более этажей. Возможности металла как строительного материала эффектно продемонстрировала Эйфелева башня высотой в 305 м, возведенная в Париже к Всемирной выставке 1889 г. Во многих городах мира появились железнодорожные вокзалы, рынки и другие здания из металла и стекла. Одним из наиболее выдающихся сооружений подобного рода стало построенное в 1851 г. в Лондоне помещение для Всемирной выставки – Хрустальный дворец. Его длина составляла 564 и ширина 125 м, интерьер представлял один огромный зал без перегородок площадью 100 тыс. кв. м. Автор проекта Джозеф Пакстон предложил невиданную до этого архитектуру здания, возведенного полностью из стекла и металла. Но судьба этой уникальной постройки отразила все недостатки металлических строительных конструкций: подверженность коррозии и незащищенность от высоких температур. В 1936 г. Хрустальный дворец до основания уничтожил пожар.
Широкое распространение в строительном деле получил цементный бетон. Он обладал многими достоинствами: прочностью на сжатие, долговечностью, устойчивостью против воды и огня, но не выдерживал нагрузок на растяжение. Этот недостаток сумел устранить Жозеф Монье, садовник по профессии, который догадался каркас из железной проволоки залить цементным раствором и таким образом получить железобетон, ставший вскоре одним из основных строительных материалов.
ЭлектросвязьИнтенсивное развитие средств связи улучшило передачу информации между континентами, странами и внутри них. После четырех неудачных попыток в 1866 г. проложили первый трансатлантический телеграфный кабель протяженностью 3240 км. Усилиями многих изобретателей совершенствовалась приемопередающая телеграфная аппаратура. Французский механик Жан Бодо на протяжении 1872–1876 гг. разработал конструкцию телеграфного аппарата, использовавшегося затем во многих странах. Стало возможным передавать более тысячи знаков в минуту.
Успехом в 1876 г. завершилась работа Александра Грейама Белла по созданию телефона. Однако он обеспечивал слышимость лишь на небольшом расстоянии. Положение изменилось, когда Дэвид Эдуард Юз изобрел важнейшую часть телефонного аппарата – микрофон. Дальнейшая работа многих конструкторов была связана с улучшением телефонной аппаратуры, разработкой коммутационного оборудования. К концу первого десятилетия XX в. емкость многих городских телефонных сетей исчислялась десятками тысяч абонентов.
После того как в 1887 г. Генрих Герц экспериментально показал возможность искусственного возбуждения электромагнитных волн, изобретатели получили научное обоснование идеи беспроводной связи. С начала 90-х гг. А. С. Попов вел разработку необходимых для беспроводной связи технических устройств, в 1896 г. неоднократно проводил сеансы связи без проводов, а в 1897 г. установил свою усовершенствованную аппаратуру на кораблях Балтийского флота, обеспечив радиопереговоры на расстоянии 5,5 км. Опыты аналогичного содержания проводил и Гульельмо Маркони. Его приборы в основном повторяли конструкцию аппаратов, разработанных Поповым, поэтому в ряде стран, кроме Англии и Италии, Маркони отказали в патентах, ссылаясь на работы Попова.