Как я изобретал мир
Шрифт:
В то время между наукой и техникой еще существовала непреодолимая пропасть. Правда, уважаемый господин Бойт [57] , неоспоримо являющийся основателем инженерного дела в северной Германии, создал при Берлинском ремесленном институте заведение, предполагавшее в первую очередь распространение научных знаний среди молодых технических специалистов. Однако существование данного института, который затем сменила Ремесленная академия и, наконец, Высшая техническая школа в Шарлоттенбурге, оказалось слишком непродолжительным для повышения уровня образования тогдашних предпринимателей.
57
Петер Бойт (1781–1853) – основатель Берлинского ремесленного института, на базе которого была образована Высшая техническая школа в Шарлоттенбурге. Прусский министерский советник, с 1827 года преимущественно работал в Берлине. Участвовал в формировании первого поколения технических специалистов в Германии. Сыграл большую роль в создании законов Пруссии в области поддержания отечественной промышленности в 30-х годах XIX века.
Пруссия в то время представляла собой чисто военно-чиновничье государство. Образованных людей можно было найти только в чиновничьем сословии, и преимущественно данному обстоятельству можно приписать то, что и поныне, пусть и мнимый, титул чиновника служит внешним признаком образованного и уважаемого человека и является желанным. Из ремесленных предприятий лишь аграрные производители,
Деятельность в Политехническом обществе привела меня к убеждению, что естественнонаучные знания и научно-исследовательские методы призваны поднять технику на пока не обозримый уровень. Кроме того, она дала мне преимущество быть лично знакомым с берлинскими предпринимателями и самому иметь понятие о достижениях и слабостях промышленности того времени. Предприниматели часто спрашивали моего совета, а я тем самым получал представление об используемом ими оборудовании и методах работы. Мне стало ясно, что техника не может развиваться внезапными скачками, как это часто бывало в науке благодаря прогрессивным мыслям отдельных ученых мужей. Техническое же изобретение получает ценность и значение только тогда, когда техника сама по себе настолько продвинулась в своем развитии, что это новое решение становится реализуемо и желанно. Поэтому так часто мы наблюдаем, как важнейшие открытия десятилетиями пылятся на полке, пока внезапно не приходит их время, и тогда они начинают играть огромную роль.
Один из научно-технических вопросов, особенно занимавших меня в то время и одновременно стимулировавших к написанию первых литературных трудов, имел истоком сообщение моего брата Вильгельма в письме о виденной им в действии интересной тепловой машине [58] в шотландском городе Данди. Из его скудного описания следовало, что машина приводилась в действие не паром, а нагретым воздухом. Меня крайне заинтересовала данная идея; казалось, она может стать основой успешной перестройки всей машинной техники.
58
Тепловая машина. Принцип работы тепловой машины с использованием нагретого воздуха основан на том, что горячий воздух расширяется, а холодный – сжимается. В рабочий цилиндр из двух насосных цилиндров поочередно поступает холодный и горячий воздух, при этом рабочий поршень поступательно движется назад и вперед. Воздух нагревается и охлаждается во время прохождения поршней сквозь нагретые пламенем либо охлажденные водой камеры в нижней части цилиндров.
В сочинении под названием «О применении нагретого воздуха в качестве движущей силы», опубликованном мной в 1845 году в Dinglers polytechnisches Journal [59] , я изложил теорию таких пневматических машин, сопроводив ее описанием конструкции одной показавшейся мне технически выполнимой машины. Моя теория уже целиком основывалась на законе сохранения энергии, описанном Майером и математически обоснованном Гельмгольцем в его знаменитой работе «О сохранении силы», доложенной им сначала в Физическом обществе. Позже мои братья Вильгельм и Фридрих много занимались данными машинами, создавая различные их виды. Но, к сожалению, полученный ими опыт показывал, что развитие техники еще не настолько продвинулось вперед, чтобы с пользой применить данное изобретение. На базе этого принципа удавалось создать только небольшие машины, хорошо показывающие себя в течение длительного времени; для крупных машин отсутствовал и продолжает отсутствовать нужный материал для конструкции камер нагрева воздуха.
59
Основанный аптекарем и фабрикантом Иоганном Готфридом Динглером (1778–1855) в 1820 году журнал. Сообщал об открытиях, сначала преимущественно в ремесленном производстве и сельском хозяйстве, затем во всех областях техники. К примеру, в нем велся реестр всех английских патентов. Das Polytechnische Journal, а с 1874 года Dinglers polytechnisches Journal выходил до 1931 года.
В том же году я разместил в журнале Динглера описание уже упомянутого мной дифференциального регулятора, которому я в соавторстве с Вильгельмом успел придать за это время разнообразнейшие формы.
Другим вопросом, занимавшим меня уже достаточно долгое время, было точное измерение скорости снаряда. Искусный механик, известный часовщик Леонард изготовил по заказу экзаменационной артиллерийской комиссии часы, с большой скоростью вращавшие стрелку, когда она соединялась по электромагнитному принципу с часовым механизмом. Сцепление и расцепление стрелки в летящем снаряде имело большие трудности, преодолеть которые, несмотря на все усилия, до конца не удавалось. Это навело меня на легко осуществимую идею использования электрической искры для измерения скорости. В одном из опубликованных в «Anallen» [60] Поггендорфа сочинений «Об использовании электрической искры для измерения скорости» я указал на возможность с помощью вращающегося полированного стального цилиндра, на котором падающие электрические искры оставляют видимую метку, измерять точную скорость снаряда на каждой стадии его траектории. Это сочинение содержало реализованный мной только спустя много лет план расчета скорости электричества даже в его проводниках по тому же самому методу.
60
Anallen der Physik – журнал, основанный в 1799 году, с 1824 года до смерти физика Иоганна Кристиана Поггендорфа (1796–1877) вышедший в 160 томах под названием Anallen der Physik und Chemie. С 1877 года по сей день издается как Anallen der Physik.
Мой интерес к опытам с электричеством был сильнейшим образом оживлен участием в работах Леонарда, который одновременно был занят изысканиями по вопросу замены оптической телеграфии электрической [61] , заказанными генеральным штабом армии. В доме надворного советника Зольтмана, отца одного из моих друзей из числа сослуживцев, я имел возможность увидеть стрелочный телеграф Уитстона [62] и принял участие в попытках наладить устойчивую связь между домом и отдельно стоявшим в большом саду предприятием по изготовлению искусственных минеральных вод [63] . Однако это ни разу по-настоящему не получилось, и вскоре я понял причину неудач. Она в значительной степени крылась в принципе конструкции аппарата, который требовал настолько равномерного вращения рукоятки вручную, чтобы произведенные им отдельные электрические импульсы имели постоянную мощность, достаточную для передвижения стрелочного механизма устройства приема [64] . Этого не всегда удавалось добиться, если аппараты работали в комнате, и это было абсолютно невозможно, когда значительная часть тока терялась, проходя по проводам с тогда еще несовершенной изоляцией.
61
Телеграфия.
62
Сэр Чарльз Уитстон (1802–1875) – владел лондонской фабрикой музыкальных инструментов; занимался исследованиями акустики и смежных с ней областей. В 1837 году в соавторстве с Уильямом Куком получил английский патент на игольчатый телеграф. В 1839 году стал профессором экспериментальной физики в королевском колледже Кембриджского университета. Позднее создал стрелочный телеграф (см. пояснение), а также ряд других электрических приборов (будильников, часов и т. п.). В 1867 году, сразу же после издания работы Вернера фон Сименса о его динамо-машине с последовательным возбуждением он опубликовал очень похожую идею о динамо-машине с параллельным возбуждением. Его имя носит изобретенный им мост Уитстона – устройство для измерения электрического сопротивления, по сей день широко используемое в измерительной технике и радиотехнике.
63
В 1823 году аптекарь Конрад Генрих Зольтман и его дрезденский коллега Густав Струве организовали в Берлине на площади Бель-Альянс-Плац бальнеологическое учреждение. В 1835 году Струве передал Зольтману руководство им и посвятил себя своему предприятию в Дрездене. Зольтман, будучи увлеченным техникой, в 1842 году подал заявку на прусский патент для стрелочного телеграфа своего друга Чарльза Уитстона и установил его в своем саду. Там его, вероятно, и увидел Вернер фон Сименс, навещая друга Германа Зольтмана, сына аптекаря. Однако желание переделать и практически использовать этот телеграф пришло к Вернеру только спустя несколько лет, в 1846 году.
64
Стрелочный телеграф Вернера фон Сименса. Электрический телеграф впервые был изобретен Самуэлем Томасом Зёммерингом на основе явления электрохимического разложения воды. Электромагнетизм для телеграфии первыми применили Карл Фридрих Гаусс и Вильгельм Вебер в 1833 году. Но их аппараты были слишком чувствительными и могли использоваться только специалистами. Стрелочный телеграф Вернера фон Сименса в техническом исполнении Иоганна Георга Гальске стал первым практически применяемым и надежным аппаратом, с которым могли работать даже тогда еще малообразованные служащие телеграфов. Стрелочный телеграф Уитстона приводился в действие часовым механизмом; находившийся под действием электромагнитов маятник отклонялся, передвигая тем самым стрелку по экрану с нанесенными буквами и цифрами; стрелка же циферблата передатчика и приемника Сименса напрямую с помощью электромагнитного молоточка Вагнера с самопрерывателем (изобретение опубликовано Кристианом Эрнстом Нефом) пошагово продвигалась вперед по храповому колесу (шаговому механизму). Как следствие, неизбежно возникало синхронное движение передатчика и приемника, так как оба могли перейти на следующий шаг, только если их последовательно подключенные электромагнитные молоточки вновь замыкали цепь. В сравнении со стрелочным телеграфом Уитстона это имело решающее преимущество, так как в последнем при слишком быстрой передаче знаков якорь и спусковой механизм маятника из-за медленного увеличения тока и инерционности массы не точно следовали за импульсами тока, становились несинхронными, что приводило к неверной передаче букв.
Технически аппарат Сименса был сконструирован так, что при нажатии на клавишу необходимое усилие достигалось доселе неизвестным средством добавочного контакта, и на приемниках и передатчиках растяжение пружины, измеряемое микрометрическим винтом, было настроено таким образом, что их электромагнитные молоточки механически синхронизировались. При нажатии на кнопку, соответствующую выбранной букве или цифре, стрелка передатчика механически останавливалась возле нее и в том же месте останавливалась стрелка на циферблате приемного устройства. Правый магнит служил звонком телеграфисту, который вслед за тем переключал аппараты в рабочий режим.
Из прошения на выдачу патента на новый вид электрического телеграфа и прилагающееся к нему устройство печати депеш от 1 мая 1847 года: «Я считаю [это изобретение] новым и значимым и прошу запатентовать следующее:
– самодействующий преобразователь тока с подвижной металлической пластиной;
– описанный способ синхронизации движения храпового колеса со вставкой твердого либо пружинного молоточка между вертикально стоящими зубьями колеса;
– устранение возможности остановки якоря электромагнита посредством мгновенного параллельного подключения молоточка;
– описанную комбинацию стальных электромагнитов, устраняющую снижение магнетизма стали и гарантирующую работу п. 1 при любой силе тока;
– конструкцию электромагнитов с обмоткой из изолированной проволоки».
Леонард пытался по заказу комиссии устранить этот недостаток, проводя электрические импульсы сквозь часовой механизм, то есть через абсолютно одинаковые временные интервалы, что хотя и являлось улучшением, но не было достаточным при непостоянной потере тока. И тут мне стало ясно, что задачу с уверенностью можно решить, сделав из стрелочных телеграфов самодействующие работающие машины, каждая из которых самостоятельно прерывает и устанавливает ток. Если две или несколько таких электрических машин объединить в одну электрическую цепь, то каждый новый импульс тока возможен лишь тогда, когда все включенные аппараты завершают свой цикл и тем самым вновь замыкают цепь. В результате мы открыли очень плодотворный принцип действия бесконечного количества электротехнических устройств. Все используемые сегодня автоматические будильники или звонки основываются на впервые описанном здесь принципе самостоятельного прерывания после завершенного цикла.
Производство такого стрелочного телеграфа с самостоятельным прерыванием я передал знакомому мне по Физическому обществу молодому механику по фамилии Гальске, занимавшемуся тогда маленькой механической мастерской, принадлежавшей фирме B"otticher & Halske. Так как поначалу Гальске испытывал большие сомнения, сможет ли мой аппарат работать, я соорудил из сигарных коробок, луженой жести, кусочков листового железа и изолированной медной проволоки несколько самодействующих телеграфов, абсолютно точно начинавших и перестававших действовать. Этот неожиданный результат работы созданной из подручных средств системы настолько вдохновил Гальске [65] , что он с величайшим рвением отдался построению первых аппаратов и даже изъявил готовность покинуть свою фирму и вместе со мной полностью посвятить себя телеграфии.
65
Иоганн Георг Гальске (1814–1890) – сын гамбургского коммерсанта, в молодости приехал в Берлин и стал механиком. В Физическом обществе познакомился с Вернером фон Сименсом. Построил первую модель усовершенствованного Вернером стрелочного телеграфа. В 1847 году они основали вместе с советником юстиции Иоганном Георгом Сименсом «Организацию по развитию и строительству телеграфа» (Telegraphen-Bauanstalt von Siemens & Halske). В 1864 году ушел из английского филиала фирмы Siemens под управлением Вильгельма Сименса. Расширение предприятия братьев Сименсов и переход берлинской фирмы от ручной к промышленной сборке противоречили его натуре. В 1867 году он оставил руководство берлинской фирмой, но на всю жизнь сохранил дружеские отношения с Вернером фон Сименсом.
Этот успех в сочетании с увеличивающимися заботами о подрастающих братьях и сестрах укрепил меня в решении покинуть военную службу и искать в телеграфии, чье огромное значение я ясно сознавал, новое жизненное призвание, которое должно было принести мне также средства, необходимые для исполнения взятого на себя долга по отношению к младшим братьям. Поэтому я был целиком занят изготовлением нового телеграфа – моста к совершенно новой жизни. Но тут произошло событие, угрожавшее сорвать все мои планы.