Техника в ее историческом развитии

Раздел: Быт. Хозяйство. Строительство. Техника

В рассматриваемый период приборостроение стало играть ведущую роль в развитии науки и техники. Специальные приборы и инструменты, с помощью которых ведутся научные наблюдения, стали необходимым звеном в познании того или иного явления. Без приборов нельзя представить себе развитие астрономии, физики, химии, геодезии и других естественных наук, а без развития естествознания немыслимо развитие техники. «Все естествознание с самого начала своего зарождения, возникновения и последующего бурного, все убыстряющегося развития было и остается связанным с производством, с техникой и промышленностью. Только с этой стороны и можно понять генезис и движущие силы его развития» [1, с. 374].

Чтобы понять, чем обусловлены качественные сдвиги в приборостроении рассматриваемого периода и выявить новые требования, предъявляемые к нему наукой и техникой, необходимо остановиться на крупнейших достижениях естественных наук.

Период с начала 70-х годов XIX в. до 20-х годов XX в.— один из важнейших в развитии современного естествознания, период революционных открытий в различных областях естественных наук и ломки старых представлений о мире. Точные естественные науки развиваются в это время на основе обширного практического опыта, обогащая его со своей стороны новыми научными открытиями.

В рассматриваемый период происходит дальнейшая специализация науки, появляются ее новые отрасли.

Пути возникновения новых наук были разными. Одни из них появились как бы на границе старых наук. Другие науки возникли в результате взаимного переноса теорий и принципов из одних дисциплин в смежные. •Одним из первых примеров такого рода может служить возникновение в 60-х годах XIX в. астрофизики в результате использования спектрального анализа как физического метода для изучения астрономических объектов. Точно так же проникновение теории и методов оптики в электронику привело к образованию новой науки — электронной оптики.

Если наука до второй половины XIX в. не знала путей для выяснения -физической природы процессов и явлений, происходящих во вселенной, то впоследствии, скажем, астрономия обогатилась новыми методами изучения космоса. Эти методы — спектральный анализ и фотография — основаны на достижениях физики и химии. Спектральный анализ нашел также широкое применение в химии— для качественных и количественных химических анализов и исследования молекулярного строения веществ.

Необходимость удовлетворить потребности астрономии, физики, химии и других наук в средствах спектрального анализа привела к возникновению и развитию новой области знаний — спектроскопии. Это, в свою очередь, вызвало развитие спектральных приборов.

Интересный спектроскоп предложили Г. Р. Кирхгоф и Р. В. Бунзен. Несмотря на свою простоту, этот прибор имел существенные недостатки и впоследствии был усовершенствован. Для увеличения дисперсии известный немецкий оптик К. А. Штейнгель во второй половине XIX в. создал спектроскоп с четырьмя призмами. Первые три призмы имели преломляющий угол 45°, а четвертая призма 60°. Впоследствии вместо призм в качестве диспергирующего элемента стали применять дифракционные решетки, при помощи которых можно было получить значительное светорассеяние. Первые дифракционные решетки были изготовлены И. Фраунгофером. Они состояли либо из рамки с натянутыми в ней тонкими параллельными проволочками, либо из стеклянной пластинки, покрытой сажей с нанесенными на нее штрихами.

В 80-х годах XIX в. профессор Роуланд изготовил вогнутые металлические решетки высокого качества. С их помощью удалось получить прямое действительное изображение спектров без вспомогательных оптических элементов (линз). Это особенно важно, так как позволило непосредственно фотографировать спектры. В 1888 г. в Америке был составлен подробный атлас солнечного спектра. Спектроскопия и фотография обусловили быстрое развитие новой отрасли астрономии — астрофизики.

На рассмотренном примере мы имели возможность убедиться в существовании в приборостроении двухстороннего характера взаимодействия между наукой и техникой (от«науки к технике» и от «техники к науке»). В процессе своего развития техника постоянно существенно влияет на развитие науки, выдвигая задачи и этим стимулируя научные исследования, обеспечивая науку необходимым оборудованием. В свою очередь, наука, получив необходимые «инструменты» для исследований, играет активную роль по отношению к технике, открывая закономерности природы и указывая возможности их практического применения. Рассматриваемый нами период характерен внедрением точных измерительных приборов в технику, науку и производство.

Во второй половине XIX в. для точных измерений толщины пластинок, диаметра проволок и т. д. начинают применять контактные микрометры.

Усовершенствованию подверглись и приборы для измерения массы и времени. В конце XIX в. немецкий механик П. Штюкрат построил весы с точностью измерения до 0,0001 мг. Эти весы позволяли учитывать массу воздуха при взвешивании, колебания температуры окружающей среды и т. п.

Для точного (до одной тысячной секунды) измерения времени в конце XIX в. применяли хроноскоп Гиппа, с помощью которого промежутки времени могли быть измерены с точностью до одной тысячной секунды.

Требования науки и техники к созданию приборов, обеспечивающих наблюдение, измерение, контроль, регистрацию, управление и многие другие виды операций, привели к бурному развитию оптического приборостроения и его теоретической базы — технической оптики.

Качественные сдвиги в приборостроении рассматриваемого периода объясняются в первую очередь крупнейшими открытиями в области физики [2].

Велика была роль приборов и в проведении фундаментальных исследований. Одной из важных и актуальных проблем физики второй половины XIX в. стала проблема экспериментального обнаружения и количественного измерения светового давления. Эта задача, представляющая даже с чисто экспериментальной точки зрения огромные трудности, была успешно решена в 1899 г. русским физиком П. Н. Лебедевым [3]. Его прибор для исследования светового давления на твердые тела по внешнему виду и устройству относительно прост. Свет от вольтовой дуги В через оптическую системуС,/), К... падает на легкие крылышки диаметром 5 мм из различных металлов (платина, алюминий, никель) и слюды. Крылышки подвешены на тонкой стеклянной нити и помещены внутри стеклянного сосуда, из которого выкачан воздух. Устройство прибора и методика измерения позволяли свести мешающие радиометрические силы к минимуму. В результате оказалось возможным обнаружить давление, производимое световым пучком при падении на крылышки, которые при этом отклонялись и закручивали нить. Опыты П. Н. Лебедева показали, что световой поток обладает не только энергией, но и массой (подробнее см. гл. XV).

Другой не менее важной проблемой физики конца XIX в. было определение скорости света. Одними из первых скорость света определили экспериментально французские ученые И. Л. Физо в 1849 г. и Ж. Б. Л. Фуко в 1850 г. Однако вопрос, зависит ли скорость распространения светового сигнала от скорости движения его источника, оставался открытым. Этот вопрос, имеющий принципиальное значение в физике, был решен в 1879- 1882 гг. американским ученым А. Майкельсоном с помощью интерференционной установки. Опыт Майкельсона также стал одним из экспериментальных оснований постулата теории относительности о равенстве скорости света в вакууме и во всех инерциальных системах отсчета [4].

Явление внешнего фотоэффекта было открыто немецким физиком Г. Герцем в 1887 г. Схема соответствующего основного опыта была впервые осуществлена русским физиком А. Г. Столетовым в 1888 г. [5], который фактически создал первый в мире газонаполненный фотоэлемент, основанный на явлении внешнего фотоэлектрического эффекта [6]. Этот прибор был одним из первых селективных приемников излучений и в большой мере способствовал становлению оптико-электронного приборостроения как самостоятельной области техники и науки.

Доказательством квантовой природы фотоэффекта явились исследования русского физика А. Ф. Иоффе, опубликованные им в 1913 г. в работе •«Элементарный фотоэлектрический эффект. Магнитное поле катодных лучей» [7]. С помощью специального прибора Иоффе были произведены прецизионные измерения заряда электрона.

Уравнение Эйнштейна неоднократно подвергали экспериментальной проверке. Особенно тщательные исследования были выполнены американским физиком Р. Э. Милликеном (1916 г.) и советскими физиками П. И. Jly- кирским и С. С. Прилежаевым (1928 г.) [8]. Прибор Милликена для изучения фотоэлектрического эффекта позволил установить, что энергия кванта равна сумме кинетической энергии электрона и некоторой постоянной по величине энергии, которая должна быть затрачена для выхода электрона с поверхности металла [9].

Таким образом, без приборов были невозможны многие фундаментальные исследования. Бурный прогресс физики в конце XIX — начале XX в. выдвинул новые задачи перед приборостроением.

С середины XIX в. приборы для измерения электрических и световых величин стали все более прочно входить в практику. В конце XIX в. и начале XX в. были открыты новые физические явления, появились новые виды измерений и соответствующие приборы.

Открытие'в 1895 г. В. К. Рентгеном Х-лучей вызвало в конце XIX в. сенсацию во всем мире [10]. Изучая Х-лучи, Рентген обнаружил их фотографическое действие, ионизацию воздуха при прохождении лучей, показал отсутствие их отражения от поверхности, открыл законы поглощения лучей и связь поглощения с плотностью, дал оценку проникающей способности лучей и т. д. Он создал также тип рентгеновской трубки с вогнутым катодом и платиновым анодом.

Первое применение рентгеновские лучи нашли в медицине. Мысль Рентгена сфотографировать с помощью открытого им излучения именно человеческую руку — одна из самых счастливых и плодотворных. Кто знает, вызвало ли бы его открытие без этого опыта тот всеобщий интерес и ту огромную популярность, которую оно с полным правом тотчас же приобрело и которыми оно пользуется в неменьшей мере и теперь.

Природа рентгеновских лучей долгое время оставалась неизвестной. Английский ученый Дж. Стоке высказал гипотезу, что рентгеновские лучи представляют собой очень короткие электромагнитные волны, возникающие при торможении электронов при ударе их об анод. В 1904 г. английский ученый Ч. Баркла экспериментальным путем обнаружил поляризацию рентгеновских лучей. Доказательством того, что рентгеновские лучи представляют собой электромагнитные волны, было также открытое в 1912 г. немецким ученым М. Лауэ (совместно с В. Фридрихом и П. Книппингом) явление диффракции рентгеновских лучей при прохождении их через кристаллы. Последовавшие затем фундаментальные исследования русского ученого Г. В. Вульфа (1913 г.), английских ученых В. Г. и В. Л. Брэггов (1913 г.), Г. Мозли (1913 г.) и других привели к тому, что рентгеновские лучи получили широкое применив в физике и технике.

Развитие военной техники, металлургии, нефтепромыслов, машиностроения, теплоэнергетики, средств транспорта — также предъявляло новые требования к приборостроению.

Во второй половине XIX в. расширяются области практического использования электричества и оптики. Потребовалось решение ряда измерительных задач. Большие требования к количеству и качеству выпускавшегося электрооборудования предъявляли электростанции, промышленные предприятия, городские и магистральные электрические железные дороги. Научно-исследовательские институты и лаборатории требовали новых,

более точных и чувствительных приборов. В 80-х годах XIX в. произошел большой переворот в развитии электроизмерительных приборов. С этого времени приборы с подвижным магнитом начинают вытесняться приборами с подвижной рамкой [11].

Прибор А. Ф. Иоффе для прецизионного измерения заряда электрона (Россия, 1913 е.J

До 80-х годов XIX в. запросы науки и практики вполне удовлетворяли гальванометры с подвижными магнитами. Однако с развитием промышленной электротехники картина резко изменилась. Возникла необходимость в щитовых и переносных стрелочных приборах, всегда готовых к работе, и приборах, показания которых не зависели бы от внешних магнитных полей и возмущений. Гальванометры с подвижным магнитом на подвесе не удовлетворяли ни первому, ни второму требованиям. Они нуждались в предварительной установке и подготовке к работе и поэтому не могли быть использованы в качестве щитовых или переносных приборов. Кроме того, они были весьма чувствительны к внешним магнитным полям.

В 1880 г. М. Депре сделал попытку устранить основные недостатки, свойственные гальванометрам с подвижными магнитами, использовав С этой целью обычную магнитную стрелку, помещенную в катушку с измеряемым током [12]. Для защиты прибора от внешних магнитных полей всю систему помещали в межполюсном пространстве подковообразного магнита. В 1881 г. Д'Арсонваль и Депре видоизменили прибор, введя подвижную катушку и заменив ранее применявшуюся подвижную часть полым цилиндрическим сердечником [13]. Показания этого прибора не зависели от внешних магнитных полей, но его шкала была неравномерной. В 1884 г. для линии электропередачи Крейль—Париж французский ученый Депре сконструировал новый прибор, свободный от указанного недостатка [14].

В 1899 г. для электрофизиологии французский исследователь Ж. А. Д'Арсонваль построил чувствительный зеркальный гальванометр с подковообразным магнитом, расположенным вертикально, и с бифилярным подвесом [151. Приборы такого типа выпускались мастерскими Карпанье в двух вариантах: с зеркальным и стрелочным отсчетом.

Несмотря на то, что гальванометры Д'Арсонваля были чувствительны и точны, они могли быть использованы только в лабораторных условиях. Между тем промышленность и транспорт испытывали потребность в нестационарных (щитовых и переносных) приборах. Для создания таких приборов необходимо было отказаться от подвесов и растяжек и перейти к принципиально новому креплению подвижной части приборов. Это сделал в 1888 г.американский инженер Э. Вестон. В его приборе ось подвижной системы была установлена на кернах, а для создания противодействующего момента и подвода тока к рамке использовали две спиральные пружинки. Благодаря этому прибор такой конструкции мог работать в любом положении, т. е. мог быть переносным, щитовым, использоваться для установки на кораблях, автомобилях и т. д. Принципиальная схема его с соответствующими конструктивными изменениями сохранилась и в современных приборах [11].

К началу 90-х годов XIX в. был накоплен значительный опыт конструирования магнитоэлектрических гальванометров. Было установлено, что их чувствительность зависит от многих факторов и определяется электрическими и механическимипараметрами прибора, сопротивлением внешней цепи и т. п.

В 1890 г. В. Э. Айртон, Мазер и Саминер представили Лондонскому физическому обществу доклад, в котором были изложены результаты исследований большого числа гальванометров различных типов [16]. Основываясь на теоретических выводах, Айртон и Мазер сконструировали гальванометр с узкой и длинной рамкой, расположенной в воздушном зазоре горизонтального магнита (без сердечника).

С развитием BJ 80-Х годах XIX в. промышленной электротехники появилась также необходимость в измерительных приборах, пригодных для применения в цепях переменного тока [17]. Были созданы многочисленные конструкции приборов для измерения напряжения (приборы электромагнитной, электродинамической, ферродинамической системы и т. д. ). На первый взгляд магнитоэлектрические приборы должны были отойти на задний план и уступить место другим системам. Однако этого не произошло, так как магнитоэлектрические приборы обладают существенными

преимуществами: высокая чувствительность, малое собственное потребление энергии, равномерная шкала, высокая точность и т. д.

Преимущества магнитоэлектрических приборов были столь очевидны, что отказаться от них было невозможно, поэтому стали весьма успешно предпринимать попытки приспособить их для работы в цепях переменного тока. Это достигалось предварительным выпрямлением измеряемого переменного тока. Первые попытки применения выпрямителей относятся к схемам амперметров и вольтметров. Наибольшее распространение получила схема двухполупериодного выпрямителя, предложенная JI. Грет- цем в 1897 г. [18].

В связи с большим спросом на электроизмерительные приборы во второй половине XIX в. возникают новые фирмы, занимающиеся производством электроизмерительных приборов: французская —«Carpentier», немецкая — «Siemens und Halske», американская — «Weston Electric Instr. Company» и др.

Для рассматриваемого периода характерно возрастание роли измерительной техники для научных и инженерных целей, связанное с проникновением количественных методов анализа во все области физики. Эти области требовали точных измерений и расчетов. Физические открытия давали возможность построения новых приборов, а потребности практики стимулировали их быстрое развитие и совершенствование.

С начала XX в. четко проявляется тенденция возрастания роли науки в техническом прогрессе. Это стало возможным вследствие того, что наука обогатилась опытом, методами исследования. Особую роль сыграли успехи электроники — новой области науки и техники.

История развития приборостроения показывает, что в дальнейшем на протяжении XX в. роль научных исследований в создании новых измерительных и наблюдательных устройств неизменно возрастает.

Приборостроение. Электротехническая промышленность представлена...

Наиболее перспективны станко- и приборостроение, электронная промышленность и электротехника, автомобилестроение и другие наукоемкие отрасли.

Размещение предприятий тракторостроения. Станкостроение...

К этой группе машиностроительного комплекса относится значительная часть радиотехнической, инструментальной промышленности, приборостроения...

Машиностроение является базовой отраслью научно-технического...

...тракторное и сельскохозяйственное машиностроение, электроэнергетическая промышленность, подшипниковая промышленность, приборостроение и станкостроение.

Машиностроительный комплекс Урала - крупная отрасль его рыночной...

Наиболее быстро развиваются электротехническое машиностроение, приборостроение, станкостроение. Многие производства являются металлоемкими...

Территориальная организация хозяйства. Характерной особенностью...

Так, в Чувашской Республике опережающими темпами развивались отрасли квалифицированного машиностроения - электротехника и приборостроение...

Структура и размещение ведущих отраслей хозяйства. Развит в районе и...

Северо-Запад и в перспективе сохранит свою роль в производстве продукции машиностроения - электротехнического приборостроения, электронного машиностроения...

Ведущая отрасль промышленного комплекса Смоленской области...

Среди центров машиностроения выделяются Ярцево (производство ткацких и прядильных станков), Сафонове (приборостроение) и Рославль (энергетическое оборудование).

Машиностроительный комплекс. В структуре машиностроения...

Второе: развитие электроэнергетической и электротехнической промышленности, производства вычислительной техники, приборостроения и станкостроения.

Территориальная структура хозяйства Северо-Запада отличается...

В последние десятилетия быстро развивается машиностроение — электротехника, приборостроение, химическое машиностроение, производство медицинских инструментов...

ТЯЖЕЛОГО МАШИНОСТРОЕНИЯ ПРЕДПРИЯТИЯ. Тяжелое...

Приборостроение. Электротехническая промышленность представлена... На территории Центрального района размещены и предприятия тяжелого машиностроения (Электросталь...