Прогресс науки, техники и технологии производства в последней трети 19-начала 20 века

   Крупное фабрично-заводское капиталистическое производство в XIX в. выступает как в виде кооперации многих однородных машин, так и в виде системы машин. В обоих случаях различие между фабрикой и прежней мануфактурой наглядно проявлялось в том, что машины приводились в движение общим центральным двигателем — паровой машиной, посредством механической (ременной) трансмиссии.

   Система машин позволяла обрабатываемому предмету проходить ряд взаимно связанных производственных процессов, выполняемых разнородными и взаимно дополняющими друг друга машинами. В этом проявлялись тенденции к автоматизации а непрерывности процесса производства, достигшие полного развития значительно позже.

Успехи металлообработки

Различного рода машины и механизмы изготовлялись преимущественно из металла. Это требовало соответствующего развития машиностроения как особой отрасли производства.

   В конце XVIII и в начале XIX в. машины производились еще в основном вручную. Но постепенно положение изменилось. Обработка огромного количества металла, которое приходилось ковать, сваривать, резать, сверлить отливать и т. д., потребовала, как пишет К. Маркс, «... таких циклопических машин, создать которые мануфактурное машиностроение было не в силах».( К. Маркс, Капитал, т. I, стр. 390.)

    Машинная фабрикация машин опиралась на технические достижения мануфактурного периода XVI—XVIII вв., когда уже применялись сверлильные, токарные станки довольно сложного устройства. С начала промышленного переворота эти станки были значительно усовершенствованы применительно к фабрично-заводскому производству, располагающему паровым двигателем. В конце XVIII в. Генри Моделей (1771—1831) изобрел усовершенствованный передвижной суппорт, который в первом десятилетии XIX в. был превращен в автоматический механизм и в видоизмененной форме перенесен с токарного станка на другие станки.

    Появились новые типы металлообрабатывающих станков. В 1817 г. Р. Роберте создал один из первых строгальных станков для обработки деталей с плоскими поверхностями. В 1818 г. Э. Уитни построил фрезерный станок с многорезцовым режущим инструментом (фрезой). В 1835 г. английский инженер Джозеф Витворт (1803— 1887) запатентовал автоматический токарный винторезный станок. Швейцарец Иоганн Георг Бодмер (1786—1864) получил в 1839г. патенты на карусельный станок (токарный станок с вертикальной осью для обработки крупных машинных деталей). В те же годы английский инженер Джемс Нэсмит (1808—1890) построил долбежный станок (с вертикальным движением резца). Ему же принадлежит конструкция парового молота, получившего широкое применение. Кроме перечисленных видов станков, в это время усовершенствовались клепальные и шлифовальные, а также другие станки.

    Важным техническим фактором, способствовавшим широкому производству машин машинами, служила тенденция к стандартизации и взаимозаменяемости деталей машин. Еще в мануфактурный период на военных предприятиях, вырабатывавших ручное оружие, была достигнута нормализация деталей мушкетов, ружей и т. д. Одним из основоположников такого рода производственных методов явился Э. Уитни, изготовлявший также мушкеты для американской армии.

    Эти же методы нормализации и взаимозаменяемости деталей последовательно и все более широко вводились на предприятиях общего машиностроения. В 1841 г. Витворт ввел нормализацию нарезки машинных деталей. Позднее (1869 г.) нормализацию нарезки усовершенствовал и распространил американский инженер Уильям Селлерс (1824—1906). Витворт был также изобретателем нового типа винтовки. «Хорошо известно, — писал Ф. Энгельс, — что по точности в большинстве мельчайших и даже микрометрических деталей г. Витворт не имеет соперников. Как его лнженерные инструменты, так и его винтовки являются превосходными образцами по конструкции своих деталей».(Ф. Энгельс, История винтовки, К. Маркс и Ф. Энгельс. Соч., т. XII, ч. 2, стр. 433.)

Двигатели

    Поршневая паровая машина двойного действия с расширением пара являлась основным типом двигателя на всем протяжении рассматриваемого периода.

    Элементы паросиловой установки — котел, собственно паровой двигатель, передаточный механизм — подвергались непрерывным усовершенствованиям. Конструкторы стремились к увеличению мощности и экономичности паросиловых установок путем увеличения паропроизводительности котлов, повышения начального давления пара, введения двигателей с многократным расширением пара (компаунд-машин), применения перегрева пара, увеличения скорости хода поршня и т. д.; они отказывались также от балансира, этой характерной детали передаточного механизма в первых уаттовских машинах, золотниковое парораспределение заменялось клапанными т. д.

Паровой молот. Гравюра 1842 г.

   Одним из видных изобретателей в области паровой энергетики был Артур Вульф (1766—1837), построивший в 1804 г. двухцилиндровую паровую компаунд-машину. Вульф использовал двукратное расширение пара последовательно в двух рабочих цилиндрах, повысив, таким образом, коэффициент полезного действия машины более чем в три раза.

    Опыты по созданию паросиловых установок с повышенным начальным давлением пара начались в конце XVIII в. В первые десятилетия XIX в. паровые машины с повышенным давлением строились Оливером Эвансом (1755—1819) в Америке, Ричардом Тревитиком (1771—1833) в Англии и др. Затем последовали опыты Джейкоба Перкинса (1766—1849) в США и Эрнста Альбана (1791—1846) в Германии. Первый в 1822 г., а второй в 1828 г. создали паросиловые установки, которые можно назвать установками высокого давления в нынешнем понимании этого слова — до 45—50 атмосфер. В России над созданием котлов высокого давления тогда же работал С. В. Литвинов (1785—1843). Все они опередили уровень техники того времени, когда давление в 2—5 атмосфер считалось высоким. Во второй половине XIX в., особенно после исследований, проведенных в 50-х годах во Франции Г. А. Гирном (1815— 1890), началось применение перегретого пара в целях дальнейшего повышения коэффициента полезного действия паровых двигателей.

    Отдельные паросиловые установки во второй половине XIX в. имели мощность более 1000 л. с. При фабриках и многих шахтах обычно устраивался особый корпус, где размещались котельная и машинное отделение. Фабричные паровые двигатели передавали работу трансмиссионным валам, которые располагались внутри производственных цехов. Посредством ременной передачи от этих валов приводились в действие разнообразные рабочие машины.

    Наряду со стационарными паросиловыми установками с 30-х годов XIX в. в практику входят локомобили — передвижные несамоходные паросиловые установки. Они получают применение в сельском хозяйстве, при строительных работах и т. д. По мере того как происходила концентрация и централизация производства, механическая трансмиссия все менее успешно справлялась с задачей передачи работы от центральной паросиловой станции к рабочим машинам фабричных цехов. Транспорт также предъявлял к двигателям дополнительные требования: мировая торговля и сношения между отдельными районами росли так бурно, что возникла потребность в более усовершенствованных транспортных средствах. В связи с этим научно-техническая мысль направлялась на поиски нового, более легкого источника энергии. Таким источником явился двигатель внутреннего сгорания.

    Некоторые изобретатели, работавшие над этим типом двигателя, связывали с его применением утопические надежды на укрепление мелкой промышленности, обрекаемой на разорение быстрым ростом крупного капиталистического производства. В действительности же развитие двигателей внутреннего сгорания, сначала (в 1860— 1867 гг.) газовых, предложенных Ж. Ж. Э. Ленуаром (1822—1900) во Франции, Н. А. Отто (1832—1891) и Э. Лангеном (1833—1893) в Германии, а позднее — работающих на жидком топливе, способствовало развитию крупного машинного капиталистического производства.

    Первые попытки использования электрической энергии в качестве двигательной силы относятся к еще более раннему периоду. Наиболее распространенными источниками тока в первой половине XIX в. служили гальванические элементы различных систем (Даниеля, Грова, Бунзена и др.). Открытие М. Фарадеем явления электромагнитной индукции указало изобретателям новый способ получения электрического I тока посредством магнитоэлектрических генераторов. В машинах такого рода (братьев Пиксии, Ю. Кларка и др.) ток возбуждался в обмотке катушек от постоянных магнитов. В дальнейшем появились генераторы с электромагнитами Э. Штерера (1843 г.) и фирмы «Альянс» (1856 г.). Последний из названных генераторов приводился в движение паровой машиной.

    Одновременно развивались и электродвигатели, т. е. машины, превращавшие электрическую энергию в механическую. В 20—30-х годах они еще напоминали лабораторные приборы (двигатели П. Барлоу, Дж. Генри, У. Риччи и др.). В качестве источника тока для питания этих двигателей служили батареи гальванических элементов. В 1834 г. практически применимый электромагнитный двигатель построил Б. С. Якоби (1801—1874), выдающийся ученый и конструктор, член Петербургской Академии наук. В 1838 г. двигатель этот был использован для приведения в движение гребных колес небольшого судна на р. Неве.

   Однако Якоби и его единомышленники в данной области опередили уровень технического развития той эпохи. В экономическом отношении все перечисленные и многие последующие электромагнитные двигатели были слишком невыгодны из-за маломощности и громоздкости.

Горное дело и металлургия

    Быстрый рост машиностроения и металлообработки в XIX в. требовал резкого увеличения добычи руды и каменного угля, выплавки чугуна, выделки железа и стали. Важную роль в развитии металлургии сыграло железнодорожное строительство. Огромный спрос на рельсы, скрепления, части искусственных сооружений (мостов и т. д.) обусловил внедрение новых технологических процессов в металлургии, в частности новых методов выплавки чугуна, выделки стали, особенно после того как в 60-х годах началось применение стальных рельсов.

    При этом, если горное дело развивалось в значительной мере экстенсивно, поскольку до 60-х годов основные работы в этой отрасли производства сохраняли традиционный ручной характер, то в металлургии отмечался значительный технический прогресс.

    Конструкция доменных печей совершенствовалась, увеличивались их размеры, вводились специальные подъемники для подачи шихты, улучшались приспособления для загрузки шихты, применялись системы водяного охлаждения печной кладки и т. д. Огромное значение имело введение горячего дутья, т. е. подогрева воздуха, подаваемого в домны (Дж. Нилсон в 1828 г., инженеры петербургского Александровского казенного завода в 1829 г., Фабер дю Фор в 1831 г. и др.).

    С проблемой дутья была связана другая — использование раскаленных колошниковых газов, которые образовывались в доменных печах. Раньше они бесполезно уходили в воздух. Французский исследователь Пьер Бертье опубликовал в 1814 г. работу о различных способах использования тепла и теплотворности отходящих газов доменных и плавильных печей для подогрева воздуха, подаваемого в домны и горны, а также для иных целей. Изобретения в этой области завершились созданием в 1857 г. воздухонагревательного аппарата английским инженером Эдуардом Альфредом Каупером (1819-1893).

    Большой вклад в дело развития сталеделательного производства и замены традиционных эмпирических способов выделки стали научными был сделан русскими инженерами.

    Выдающийся металлург Павел Петрович Аносов (1797—1851), один из основоположников производства высококачественных сталей и науки о металле, впервые применил микроскопический анализ булатов (разновидность высококачественных сталей) и предложил новые технологические процессы их производства. Последователь Аносова, Павел Матвеевич Обухов (1820—1869), разработав способ изготовления крупных стальных отливок высокой прочности, явился одним из пионеров выделки легированных сталей, т. е. сталей с одной или несколькими присадками (хром, марганец, титан и др.), заметно улучшающими их свойства.

    Все возраставшая потребность в передельном металле — железе и стали — привела к настоятельной необходимости не только последовательных улучшений, но и резкого изменения технологии железоделательного и сталеделательного производства. Новый способ передела чугуна на железо и сталь ввел английский изобретатель Генри Бессемер (1813—1898) в середине 50-х годов XIX в. Передел по способу Бессемера производился в особом подвижном сосуде (конвертере). В сосуд наливали жидкий чугун, сквозь который затем продувался воздух. Избыток углерода и некоторые другие примеси, содержавшиеся в чугуне, при этом быстро выгорали, после чего полученное литое железо или сталь отливались в болванки.

   В 60-х годах французские инженеры Эмиль Мартен и его сын Пьер Мартен получили литую сталь в отражательной печи с регенеративной (воздухонагревательной) установкой, изобретенной немецкими инженерами, братьями Вильгельмом и Фридрихом Сименсами. В этой печи, получившей название мартеновской и введенной в эксплуатацию в 1864 г., сталь получалась сплавлением чугуна со старым железным ломом (скрапом). С 1865 по 1870г. мировое производство стали в результате распространения мартеновского и бессемеровского способов возросло на 70%, хотя широкое распространение эти способы получили уже за пределами рассматриваемого периода.

    В области цветной металлургии важным событием явилось введение в 1827 г. немецким химиком Фридрихом Велером (1800—1882) нового способа получения алюминия. Первоначально алюминий по цене приравнивался к драгоценным металлам. Лишь после усовершенствований, внесенных в 1854—1865 гг. в технологию производства алюминия французским геологом А. Э. Сен-Клер Девилем (1814—1876) и русским химиком Н. Н. Бекетовым (1827—1911), издержки производства алюминия резко снизились. Однако его широкое применение также относится к более позднему периоду.

Химическая промышленность

    В новых отраслях производства, достигших значительных успехов после промышленного переворота, видное место заняла химическая промышленность, в первую очередь так называемая основная химическая промышленность, производящая серную кислоту, соду, едкий натр, хлор и другие вещества, необходимые при производстве соляной и азотной кислот, стекла, взрывчатых веществ, красок, отбельных веществ, искусственных удобрений, фармацевтических препаратов и т. д.

   В конце XVIII в. француз Николя Леблан (1742—1806) положил начало заводскому производству соды из глауберовой соли. Способ Леблана господствовал в содовом производстве до 60-х годов XIX в., пока его не сменил несравненно более производительный «аммиачный» способ бельгийского изобретателя Эрнеста Сольве (1838-1922).