История технических инноваций

Могущество государства уже тогда определялось его энергообеспеченностью, выражающейся в количестве рабов, ослов лошадей и т.п. Лошади, верблюды, быки в некоторых странах и цивилизациях являлись своего рода «твёрдой валютой», в которую вкладывали свои сбережения, производили расчёты, брали дань и т.п. С помощью мускульной силы люди древности строили такие сооружения, масштабы которых поражают до сих пор. Египетские пирамиды, города Майя, Великая Китайская стена, Московский Кремль - все эти величественные сооружения построены исключительно на энергии человека и животных.

В течение этой эпохи невозобновляемые энергоресурсы, к которым относятся органические ископаемые, такие как каменный уголь, нефть и газ, продолжали накапливаться. Так продолжалось примерно до VIII-Х веков.

Затем наступила эпоха механоэнергетики, длившаяся до XVIII века. В этот период человек стал дополнительно использовать механическую энергию возобновляемых энергоресурсов - энергию речной воды и ветра. Для этих целей использовались водяные колеса и ветряные крылья. Человек получил в свое распоряжение силы, во много раз превосходящие его собственные и силу домашних животных. Вместо рабов, вращающих какой-нибудь ворот водяного насоса, стали требоваться ремесленники, плотники, кузнецы. Рабовладельческий строй стал экономически невыгодным и сменился феодальным.

Водяные и ветряные мельницы стали центрами, определяющими уклад средневековой жизни. Мельник стал самой главной и значительной фигурой средневекового производства. Чаще всего владельцем мельницы и был феодал. Ветряная мельница - обязательный элемент средневекового пейзажа.

Энергетические ресурсы в эту эпоху полностью восстанавливались, а окружающая среда оставалась практически в первозданном виде.

Вёсельный флот, движимый энергией гребцов, уступил место парусному кораблю - символу технического прогресса того времени, вбирающему в себя все самые передовые технические решения и инновации.

Те страны, которые оказались технически способны к постройке и эксплуатации большого количества парусных кораблей, стали прирастать новыми землями. Великобритания, Испания, Португалия соперничали между собой за колонии во всех уголках земного шара. Их борьба двигала мировую историю с XV по XVII век, результаты которой во многом определили облик современного мира. Испанский, португальский и английский языки именно в это время распространились по всему миру, и сегодня являются государственными языками многих стран.

Благодаря достижениям кораблестроения, навигации, картографии, парусный корабль покорил всю землю, включая суровую Антарктиду. Имена бесстрашных путешественников, таких как Христофор Колумб, Васко да Гама, Америго Веспуччи, Фернан Магеллан, навсегда вписаны в учебники истории. Открытие новых торговых маршрутов стимулировало приток капитала, развитие торговли и культуры. Звёздное время парусного флота получило название эпохи Великих географических открытий. Своей красотой, совершенством, изощрённостью технических решений и искусством выполнения работы парусные корабли поражают нас и сегодня, они навсегда останутся символом романтики и путешествий.

Но совершенство парусника стало и причиной его гибели. Парусный флот стал одним из факторов, во многом определившим завершение романтической эры энергии воды и ветра, уступившей место практичной и деловой эпохе химической теплоэнергетики, которая длится до сих пор.

Главным источником энергии становится химическая энергия, выделяющаяся при сгорании органических ископаемых ресурсов: каменного угля, нефти и т.д. А основной движущей силой является энергия пара или газов, используемая в тепловых двигателях. Изобретение тепловых двигателей качественно изменило энергетические возможности Человека. Он перестал зависеть от прихотей ветра, смог оторваться от рек, служивших не только источниками энергии, но и являющихся основными торговыми путями.

Принципиальное отличие этой эпохи состоит в том, что человечество уничтожает ресурсы, доставшиеся ему как результат процессов, протекавших на Земле миллионы лет и имевших своим первоисточником энергию Солнца. Все это сопровождается загрязнением окружающей среды продуктами сгорания и отходами производства. Загрязнение окружающей среды, в том числе и радиационное, начинает тормозить развитие традиционных энергетических технологий.

В связи с этим продолжается активный поиск альтернативных источников энергии, способных заменить энергию сжигания органического топлива.

Темы для докладов и рефератов

Простые механизмы на стройках Древнего мира.

Устройство водяных мельниц.

Устройство и принцип действия ветряных мельниц.

История развития упряжи и рабочих инструментов для лошадей.

Дискуссии

Источники энергии будущего.

Литература

Данилов, Н.И. Использование ресурсов и энергии: учебное пособие для элективного курса «Энергосбережение» в старших классах / Н.И. Данилов, Ю.Н. Тимофеева, А.П. Усольцев, Я.М. Щелоков, В.Ю. Балдин. - Екатеринбург, 2010.

Ваганов, А. От хомута до автомобиля. Инновации как самый древний способ управления обществом / А. Ваганов. Независимая газета. 2006. №11-14.

Запарий В.В., Нефедов С.А. История науки и техники. Екатеринбург, 2003 (http://hist1.narod.ru/Lec/Histsci.htm).

www.xlegio.ru.

1.5 Энергосбережение и устойчивое развитие

Мир достаточно велик, чтобы удовлетворить нужды любого человека, но слишком мал, чтобы удовлетворить людскую жадность.

Махатма Ганди

История развития живой природы свидетельствует о том, что источником движения биологической эволюции является постоянно сохраняющееся противоречие между безграничной способностью живых организмов к воспроизводству и ограниченными возможностями материальных ресурсов внешней среды. Вид, получивший преимущество перед другими видами, распространяется до тех пор, пока не сталкивается с недостатками тех ресурсов, которые необходимы именно этому виду. Отсутствие достаточного количества пищи, жилья, жизненного пространства приводит к уменьшению популяции этого вида, а иногда и к его полному исчезновению.

Если в качестве такого вида рассматривать человечество, то основной ресурс, без которого человек не сможет выжить - энергетический. Формула энергетического обеспечения развития современного общества звучит так: чтобы повышать благосостояние общества, необходимо постоянно увеличивать расход энергии. Но это увеличение не может продолжаться бесконечно, любые запасы ограничены, и поэтому рано или поздно они закончатся. И тогда человечество неизбежно столкнется с необходимостью кардинального уменьшения энергетических затрат.

В основных выводах ХV конгресса Мирового энергетического совета, состоявшегося в 1992 году, говорится, что органическое топливо останется основой энергообеспечения; их абсолютное потребление возрастет при любых реалистичных сценариях; по крайней мере, на ближайшие 30 лет не просматривается появление ни одного нового источника энергии.

Выводы ученых, а также многочисленные программные документы международных организаций свидетельствуют о том, что многие параметры экономического и популяционного роста человечества остаются практически бесконтрольными. В настоящее время преобладает режим перепотребления. Этим, в первую очередь, следует объяснить то, что человечество как развивающаяся система все чаще и чаще сталкивается с кризисными ситуациями, многие из которых носят межгосударственный характер. Ярким подтверждением этому являются события 70-х годов ХХ столетия, которые вошли в историю как энергетический кризис. После того, как развитые страны столкнулись с проблемой нехватки энергии, они сделали из этого выводы и уже тогда коренным образом пересмотрели свою энергетическую политику. Экологический кризис, спровоцированный неразумным поведением Человечества, по своим масштабам будет намного более разрушительным для экономики, чем все предыдущие экономические кризисы.

Называется обычно несколько причин, способных привести к столь печальным последствиям:

· возросшие масштабы производства, качественно изменившие влияние промышленных выбросов на окружающую среду. Они перестали носить локальный характер, а стали вызывать глобальные нарушения природного равновесия;

· сохраняющаяся и даже возрастающая степень опасности складов ядохимикатов, вооружений, захоронений отходов, в том числе, радиоактивных, последствия аварий, взрывов или пожаров. Все это может иметь дополнительные катастрофические последствия;

· возрастающий прирост численности населения Земли (в основном в слаборазвитых странах) в сочетании со значительным различием в уровнях потребления сырьевых ресурсов, топлива, энергии, продуктов питания в странах с развитой и слаборазвитой экономикой привел к значительной разнице между уровнями жизни в разных странах. Согласно разным оценкам, примерно 25% населения Земли потребляет до 80% всех добываемых в мире ресурсов.

Чтобы обеспечить условия жизни во всех странах мира на уровне стран с развитой экономикой, добычу ресурсов, энергии следует увеличить в несколько раз, а это вызовет дальнейшие негативные последствия для биосферы. Считается, что природа способна воспроизводить изъятые у нее биологические ресурсы, если изымается не более 1% имеющегося их количества. По оценкам специалистов, этот предел превзойден на Земле более чем в 10 раз. Следовательно, для многих источников, важных для мировой экономики, и выбросов отходов производства выход за допустимые пределы уже произошел.

Создается впечатление, что Человечество загоняет себя в тупик. Предотвращение подобной ситуации возможно только одним путем - необходимо решать вопрос рационального расхода энергии, снижения ее удельных затрат. Возникла необходимость изменения самого характера развития общества, его ценностей. Это направление человеческой деятельности получило название - энергосбережение.

Энергосбережение - это комплекс мер, направленных на эффективное использование энергии и материальных ресурсов, в первую очередь, невозобновляемых первичных источников энергии в виде органических минеральных горючих.

Бережное расходование энергии и ее получение на основе возобновляемых источников энергии - ветра, солнца, биомассы и т.д. позволит уже сегодня решить массу экологических проблем, снизить в несколько раз усилия на постоянные поиски новых ископаемых источников энергии и их освоение.

Это позволит не только зарезервировать для потомков часть запасов ископаемого топлива, но использовать эту категорию ресурсов для неэнергетических потребностей - производства химических продуктов, лекарств, всевозможных препаратов.

Но для этого необходимо понимание всем обществом того, что рост благосостояния населения возможен только в условиях увеличения полезного расхода энергии, роста ее душевого потребления и того, что в любой, даже самой богатой энергоресурсами стране требуется их рациональное использование и экспортирование с целью сохранения для будущих поколений запасов топлива в виде невозобновляемых ресурсов.

В России с ее богатыми природными ресурсами, в первую очередь, топливно-энергетическими, до последнего времени энергетика привычно рассматривалась как единственный источник развития промышленного производства. Топливно-энергетический комплекс (ТЭК) дает до сих пор практически от трети до половины всех валютных поступлений в страну. Но такое положение не может сохраняться долго, поскольку энергоемкость промышленного производства и социальных услуг и так оказалась в несколько раз выше общемировых показателей. Это делает нашу жизнь недопустимо энергорасточительной, а нашу продукцию неконкурентоспособной не только на мировом, но и на внутреннем рынке. Только менее одной трети добываемых топливно-энергетических ресурсов идет в конечном итоге на обеспечение прямых и косвенных энергетических услуг населению. Еще одна треть сырьевых ресурсов идет на экспорт, а остальная безвозвратно теряется в самой системе энергопоставок, не давая при этом никакого полезного эффекта для конечного потребителя.

Россия сегодня стоит перед выбором возможного сценария своего развития. Тот сценарий, который был выбран на последнее десятилетие ХХ века, способствовал развитию крайне нежелательных тенденций с утратой интеллектуального и культурного потенциала страны, превращения ее в сырьевую базу и источник дешевой рабочей силы для развитых стран. В экономическом плане однобоко развиваются топливно-энергетический и сырьевой комплексы, при определенном оттоке капиталов за рубеж и сохранении финансовой зависимости от международной финансовой элиты.

Нашему обществу необходимо установление соответствия между ростом материального производства, его энергообеспечения и сохранением экологических ресурсов (воды, воздуха, почвы). Эту задачу не решить только за счет повышения квалификации узких специалистов области энергетики. Каждый может и должен научиться рационально расходовать энергию. Это возможно только при освоении широкими слоями населения основ культуры потребления энергетических ресурсов. Эта культура проявляется в повседневной жизни и заключается в обязательном выполнении ряда энергетических ограничений. Цель подобных ограничений - повышение энергоэффективности использования наших природных ресурсов в интересах нынешнего и будущих поколений.

Выход из этой опасной зоны, из состояния с возможными необратимыми катастрофическими последствиями - в построении и реализации своей национальной модели «устойчивого развития», то есть стабильного социально-экономического развития, не разрушающего своей природной основы.

Понятие «устойчивое развитие» появилось в начале 70-х годов XX века и получило широкое распространение в мире после опубликования в 1987 году Международной комиссией по окружающей среде и развитию (МКОСР) доклада «Наше общее будущее». В нем дано определение «устойчивого общества» как общества, удовлетворяющего нужды сегодняшнего поколения, не лишая при этом будущие поколения возможности удовлетворять их собственные нужды.

Устойчивость не предполагает отсутствие роста. Общество, одержимое навязчивой идеей постоянного роста, воспринимает любую критику роста как полное его отрицание. Устойчивое общество должно быть заинтересовано в качественном развитии, а не в физическом росте. Материальный рост в нем - обдуманное средство, а не вечное право. В устойчивом обществе нищета не может и не должна символизировать устойчивость. По моральным и практическим причинам любое устойчивое общество должно обеспечивать материальный достаток и гарантии для всех. Устойчивому миру понадобятся свои правила, законы, стандарты, границы и, конечно, социальные соглашения, как и любой человеческой культуре. Ряд правил должен отличаться от тех, которыми люди руководствуются сегодня. Некоторые виды такого контроля уже существуют, например, международное соглашение по озоновому слою, соглашение по ограничению выбросов парниковых газов, закрепленное Киотским протоколом и др. Таким образом, устойчивое развитие может рассматриваться как реализация стратегии выживания и непрекращающегося развития отдельной страны и цивилизации в целом в условиях сохранения биосферы, с переходом в ноосферу (сферу разума). Конечно, такой переход, если он и возможен практически, неизбежно приведет к возникновению ряда новых противоречий в обществе.

В Концепции перехода Российской Федерации к устойчивому развитию (принята Указом Президента РФ от 01.04.96 г. №440) отмечается, что устойчивое развитие - объективное требование времени и его конечная цель - постепенное восстановление естественных экосистем до уровня, гарантирующего стабильность окружающей среды. И достижение этой цели возможно только через полный отказ от нынешнего стереотипа мышления, пренебрегающего ограниченными возможностями биосферы, требованиями экологической безопасности.

Предполагается, что рыночные механизмы в сочетании с мерами государственного регулирования должны сформировать экономические стимулы бережного отношения к природным ресурсам и окружающей среде всех предприятий, будь то огромный металлургический комбинат или небольшое фермерское хозяйство.

Задачи, которые надо решить при переходе к устойчивому развитию:

· вести и развивать хозяйственную деятельность не путем все большего потребления природных ресурсов, а на основе массового внедрения энерго- и ресурсосберегающих технологий, в пределах емкости экосистем, т.е. брать от природы ровно столько, сколько она способна без ущерба возместить;

· добиться коренного улучшения состояния окружающей среды за счет экологизации экономической деятельности.

Решение этих задач требует целенаправленных изменений структуры экономики, изменения личного и общественного потребления. Каждый должен бережно использовать электроэнергию, газ, воду, тепло, независимо от своего благосостояния. Даже миллиардер должен помнить, что если на Земле закончатся чистый воздух или вода, то их нельзя будет купить ни за какие деньги.

Основные направления перехода России к устойчивому развитию:

· создание соответствующей системы воспитания и обучения;

· оценка возможностей экологических систем разных регионов по воздействию на них промышленными и сельскохозяйственными предприятиями;

· приведение воздействия на природу в соответствие с ее возможностями по полному устранению негативного эффекта от этого воздействия.

Рассмотрен в Концепции и региональный аспект устойчивого развития, которой предполагает:

· реконструкцию региональной промышленной системы с учетом хозяйственной емкости локальных систем;

· развитие сельского хозяйства на основе экологически прогрессивных агротехнологий, адаптированных к местным условиям;

· осуществление мер по оздоровлению населения, развитию социальной инфраструктуры, повышение качества жизни.

К основным показателям качества жизни предлагается отнести:

· продолжительность жизни человека (ожидаемая при рождении и фактическая);

· состояние его здоровья;

· отклонения состояния окружающей среды от нормативов;

· уровень знаний или образовательных навыков;

· доход (измеряемый валовым внутренним продуктом на душу населения);

· уровень занятости;

· степень реализации прав человека.

В качестве целевых и ограничивающих параметров устойчивого развития в экологической сфере предлагаются:

· уровни удельного (на душу населения и единицу валового внутреннего продукта) потребления энергии и других ресурсов, а также выхода выбросов, сбросов и отходов;

· показатели качества атмосферы, вод, территорий, находящихся в естественном и измененном состоянии и др.

Для нашей страны достижение всех этих параметров является стратегической задачей, так как переход к устойчивому развитию является единственно возможным путем дальнейшего развития всей мировой экономики и, в том числе, российской.

Темы для докладов и рефератов

Возможности энергосбережения в жилых помещениях.

Энергосберегающий дом будущего.

Энергосбережение в нашей школе.

Международное сотрудничество в решении проблемы глобального потепления.

Использование энергосберегающих технологий в промышленности.

Сотовая энергетика - энергетика будущего.

Проблема утилизации отходов.

Дискуссии

Мусор - угроза жизни или неисчерпаемый источник энергии и ценного сырья?

Устойчивое развитие - единственно возможный путь развития цивилизации?

Литература

1. Данилов, Н.И. Использование ресурсов и энергии: учебное пособие для элективного курса «Энергосбережение» в сткарших классах / Н.И. Данилов, Ю.Н. Тимофеева, А.П. Усольцев, Я.М. Щелоков. Екатеринбург, 2010.

2. Основные технические инновации в истории человечества

Сегодня, глядя на огромные автомобильные заторы на дорогах из окна застрявшего в них автомобиля, мы отчётливо понимаем, что технические устройства определяют жизнь не только отдельно взятого человека, но и оказывают кардинальное влияние на всё человечество в целом.

Но не все инновации оказали одинаковое влияние на нашу жизнь: изобретение застежки-молнии оказалось хоть и полезным изобретением, но не судьбоносным. Не будь ее, обошлись бы пуговицами или «липучкой».

Главные праинновации, «родившие» человека - это изобретение первых орудий труда, колеса, лодки, изобретение лука и пращи. Этих инноваций в древности было не так уж и много, и каждая из них повлияла на дальнейший ход всей нашей истории. Среди более поздних инноваций особо выделяются те, которые стали ключевыми факторами изменения технологических укладов (это изобретение парового, электрического двигателей, двигателя внутреннего сгорания, полупроводников). Конечно, обойти их стороной никак невозможно.

Были и другие важнейшие инновации, появление которых не изменило технологического уклада, но изменило нас. К такой инновации можно отнести радио и всех его «потомков»: массовое радиовещание и телевидение. Именно они определяют сегодня общественное сознание и объединяют все страны в один новый, информационный мир.

К инновациям, о которых необходимо рассказать, мы также отнесли изобретения, связанные с электрическим освещением. Искусственный свет тоже нас сильно изменил: как оказалось, с появлением электрического света люди в среднем стали спать меньше на несколько часов! Если полюбоваться из космоса на ночную сторону нашей планеты, то можно увидеть именно эти инновации в виде светящихся паутин городов и ниточек дорог.

Кто-то скажет, что изобретение газо- и электросварки металлов, создание резины и пластмассы тоже являются очень важными инновациями. Не было бы их, не было бы и самолетов, кораблей, подводных лодок. И с этим невозможно спорить. Но при выборе одного варианта из множества равно достойных всегда проявляется субъективный фактор, связанный с личными предпочтениями выбирающего. Мы сделали свой выбор и указали его основания. Но все же в итоге мы можем сказать только так: в следующей главе приведены некоторые из инноваций, оказавших огромное влияние на развитие Человечества.

2.1 Древние инновации

Не было гвоздя, - подкова пропала.

Не было подковы, - лошадь захромала.

Лошадь захромала, - командир убит.

Конница разбита, армия бежит.

Враг вступает в город, пленных не щадя, Оттого что в кузнице не было гвоздя!

С.Я. Маршак

Инновации, «родившие» Человека

Самой древней инновацией можно считать изготовление каменных рубил нашим далёким предком Homo habilis (человеком умелым) около 2-2,5 млн. лет назад. Умелости ему хватало ровно на то, чтобы с помощью одного камня разбить другой камень. Если это был галечный камень, то получался острый край с одной стороны и удобная поверхность для держания с другой. Такое орудие было значительно прочнее и острее зубов и ногтей, и тот, кто получил этот инструмент первым в истории, начал пользоваться приятными плодами инновации: он стал сильнее окружающих, поэтому он больше ел и дольше спал.

Пролетело каких-то 2 млн. лет, и около 800000 лет до н.э. человек уже занялся инновацией не только в использовании простейших орудий труда, но и инновацией в области технологии изготовления орудий труда. Теперь он уже не просто бил одним камнем по другому «как получится», а целенаправленно обрабатывал камень серией мелких, специально направленных ударов (называется такая техника ретушью) для создания требуемого инструмента. Появилась специализация инструментов: изготавливались скребки для разделки туш убитых животных, наконечники для дротиков, камни для рубки древесины и т.п.

Тот, кто умел выполнять такую тонкую работу лучше других, становился «специалистом», очень важным для племени. Началась общественная дифференциация, в племенах появилось некое подобие внутренней общественной структуры. Чтобы умение сохранилось в племени, выработанные навыки умелец должен был передавать другим. Для этого было необходимо общение посредством речи.

Затем люди научились искусственно добывать огонь с помощью трения или высекания искр из камней. Первые искусственно сделанные жилища, представляющие центральное дерево с прислонёнными к нему шатром ветками, приобрели очаги, каменные стенки которых защищали пламя от ветра и конденсировали тепло.

Покорение огня и создание очагов в первых жилищах сделали Человека менее зависимым от прихотей меняющейся погоды и дали ему новые преимущества в борьбе с животными за своё выживание.

Следующий тип инноваций связан с использованием новых конструкционных материалов. Кроме камня люди стали использовать кости, дерево, глину. Примитивная глиняная посуда позволила Человеку дольше хранить пищу, т.е. повысить эффективность использования добычи. Первые ткацкие станки V века до нашей эры позволили получить новый материал, который в сочетании со звериными шкурами сделал одежду человека более удобной и практичной. Всё это позволило сделать следующий важный шаг по пути независимости Человека от природы - от охоты и собирательства перейти к земледелию и скотоводству.

Таким образом, примитивные, на первый взгляд, инновации, такие как каменные рубила и очаги с огнём, оказались судьбоносными. Они позволили сделать Человеку качественный скачок, отделивший его от животных. Поэтому мы смело можем сказать, что Человек создал Инновацию, но и Инновация создала человека. Не будь первых изобретений - не было бы и Человечества.

Простые механизмы

Первыми техническими инновациями, давшими огромный импульс развития, конечно же, стали такие простые механизмы, такие как рычаг, салазки, наклонная плоскость и колесо.

Эти приспособления позволили человеку резко повысить свою энергообеспеченность, хотя, как известно, использование рычага не даёт никакого выигрыша в работе: выигрываем в силе, проигрываем в расстоянии. Но приведём конкретный пример: пусть человеку требуется поднять очень тяжёлый камень, настолько тяжёлый, что поднять его без рычага (или более сложной системы рычагов) невозможно. Использование механизма, пусть даже при очень низком КПД, позволяет всё же достичь требуемого результата и совершить необходимую работу. Попытка поднять камень без технической поддержки обречена на неудачу, камень, несмотря на наши титанические усилия, останется лежать на своём месте, и совершённая работа будет равна нулю. Использование колеса уменьшает силу трения при транспортировке грузов и значительно повышает тем самым КПД. Прототип колёс - катки, которые подкладывали под тяжёлый транспортируемый груз.

Результаты использования простых механизмов мы можем видеть и сегодня - это исполинские сооружения древних Египтян. Для постройки пирамид была необходима доставка огромных каменных глыб из каменоломен Мемфиса и подъём их на огромную высоту. Для доставки применялись салазки, под которые подкладывали катки, а для подъёма - шадуфы (журавли с противовесами) и наклонные плоскости.

Для подъёма камня насыпали огромный пандус, по которому втаскивали каменные блоки. По мере роста пирамиды насыпали новые пандусы. Когда же сооружение было готово, песок убирали.

Таким весьма трудоёмким способом удавалось строить сооружения, поражающие своими размерами и сегодня: например, самая известная пирамида Хуфу (Хеопса), сооружённая около 2400 лет до н.э., в первозданном варианте имела массу около 7 млн. тонн, 146,7 м высоты, 232,4 м длины стороны квадратного основания, а масса отдельных блоков превышала 2 т!

Менее известный, но более прагматичный результат трудов древнеегипетской цивилизации также поражает своей масштабностью. В V до н.э. египтяне прорыли Суэцкий канал, соединяющий Средиземное море с Красным! По словам Геродота, для прохода вдоль канала требовалось четыре дня пути, по ширине канала легко могли разойтись два больших корабля (триеры). Эта постройка стоила жизни 120 тыс. строителей (так что если кто-то считает, что он устаёт на учёбе или на работе, пусть вспомнит про египетские пирамиды и каналы!).

В более поздние времена античной Греции использовались уже не примитивные журавли, а сложные многоблочные механизмы, называемые полиспастами. Полиспасты и сегодня используются альпинистами и туристами, когда надо в полевых условия создать значительное усилие (например, туго натянуть трос для переправы через реку).

Если бы не эти нехитрые «гаджеты» (от англ. gadget - «приспособление», «безделушка», «ерунда»), мы не увидели бы ни знаменитых египетских пирамид, ни Сфинкса, ни Великой китайской стены.

Подкова и хомут

Из технических «безделушек» более позднего времени, кардинально повлиявших на развитие цивилизации, необходимо выделить подковы и хомуты. Подковы, по некоторым версиям, использовали кельты около 400 г. до н.э., а широкое распространение в Европе они получили сравнительно недавно, в VIII-Х вв. н.э. При внешней простоте этих устройств, их нельзя назвать тривиальными: попробуйте прикрепить груз к лошади так, чтобы она могла его тянуть долгое время и не повредить себя. Запрячь лошадь может далеко не каждый - этому надо учиться. И сделать это значительно сложнее, чем завести автомобиль. Но усилия того стоят: коэффициент полезного действия тяглового усилия лошади увеличивается чуть ли не втрое.

Энергетический скачок позволил кардинально увеличить количество распахиваемых земель в Европе, а потребность в железе для подков обусловила развитие других ремёсел.

Считается, что именно эти приспособления определили развитие Римской империи: повышение производительности труда в сельском хозяйстве привело к общему экономическому росту; так как тягловая сила - основной «двигатель» того времени - стала работать значительно эффективнее, появилась возможность транспортировать различные достаточно тяжелые военные машины (о них речь чуть ниже), что привело к росту возможностей римской армии; появление удобного транспорта в виде запряженных в повозки лошадей обусловило необходимость постройки многочисленных дорог, объединяющих огромные пространства Римской империи в единое государство.

Магистральные дороги римлян строились с такой основательностью, что ей могли бы позавидовать и современные строители: на будущей магистрали снимался весь грунт до скальной породы; затем укладывался нижний слой из каменных плит (statumen), скрепляемых известковым раствором; далее толщиной 20 см заливался раствор с булыжником, щебнем и битым кирпичом (ruderato); третий слой (nucleus) состоял из смеси гравия и песка толщиной в 30-50 см; и, наконец, сверху укладывались широкие гладкие каменные плиты (summa crusta). Общая высота слоёв достигала 1,5 м, а ширина дороги - от 10 до 30 м. Неудивительно, что эти магистрали сохранились до сих пор. На них можно видеть колеи, пробитые в камне деревянными колёсами повозок, тысячелетиями катавшихся по этим дорогам.

Длина таких магистралей к концу I века до н.э. составляла 90 тыс. км. Основных магистралей было пять: первая, построенная в 312 г.до н.э., вела в Капую, далее до порта Брундизии, с переправой в Македонию и далее в Азию; вторая (с двумя морскими переправами) в Африку; третья по берегу Адриатического моря соединяла с Балканскими странами; четвертая доходила до Испании и там разветвлялась; пятая пересекала нынешнюю Францию и после переправы расходилась на множество щебёночных и грунтовых дорог на Британских островах.

Вместе с грунтовыми и щебёночными дорогами протяжённость дорог получалась грандиозной - 300 тыс. км. Неудивительно, что Римская империя сохраняла свою управляемость на протяжении многих сотен лет. Своими экономическими и военными успехами империя во многом была обязана этим дорогам, которые не могли быть построены, если бы не было удобных, надёжных и экономичных транспортных средств, какими были подкованные лошади, запряжённые в повозку посредством хомута.



Так что известное стихотворение С.Я. Маршака, демонстрирующее причинно-следственные связи между отсутствием в кузнице гвоздя и поражением армии, не так уж и далеко от истины: многие столетия римская армия вступала в города во многом благодаря подкове и гвоздю!

Водяные мельницы

Логично предположить, что следующий принципиальный скачок в энергообеспечении был сделан именно в Римской империи как самой передовой державе того времени. Этот скачок связан с появлением водяных мельниц. По сути, водяная мельница - это энергостанция, в которой в качестве источника энергии используется уже не мускульная сила людей и животных, а энергия воды. Описание таких мельниц сделано Витрувием во II веке до н.э., но в Риме существовали общественные водяные мельницы уже в IV до н.э.

Изначально мельницы использовали для помола и просеивания зерна, позже в средневековой Европе их приспособили для сукновального дела, для изготовления бумаги, для ковки железа, для резки брёвен, дубления кожи, заточки инструментов и пр. Ещё каких-нибудь 200 лет назад на всех уральских металлургических заводах заводчика Демидова использовались водобойные молоты, приводимые в движение колёсами водяных мельниц.

Ветряная мельница

Ветряная мельница - аэродинамический механизм, который выполняет механическую работу за счет энергии ветра, улавливаемой крыльями мельницы.

В кодексе вавилонского царя Хаммурапи, жившего примерно в 1750 г. до н.э., уже упоминаются ветряные мельницы. Греческий изобретатель Герон Александрийский в I веке н.э. приспособил мельницу для надувания мехов оргбна.

Первые ветряные мельницы имели не совсем привычный для нас вид: они вращались вокруг вертикальной оси, вместо крыльев часто использовались лопатки или паруса, а персидская мельница, например, ещё и была закрыта оболочкой, закрывающей часть лопаток. Ветер дул в отверстие и вращал барабан мельницы, похожий внешним видом на гребное колесо первых пароходов. Понятно, что если ветер менял своё направление, для продолжения работы колеса нужно было «перемещать» отверстие, ловить ветер.

В китайской мельнице вместо лопаток использовались поворотные паруса. Такая мельница, наверное, больше походила на плавающие по кругу парусники.

Те мельницы, с которыми боролся Дон Кихот, имели горизонтальную ориентацию ротора. Они появились в XII веке во Фландрии, Юго-Восточной Англии и Нормандии. Важное усовершенствование таких мельниц было сделано в XIII веке: всё здание мельницы стало поворачиваться навстречу ветру. Это значительно повышало время её использования, так как стало не нужно ждать ветра требуемого направления.

Водяные и ветряные мельницы долгое время являлись единственными источниками энергии, поэтому они были локальными центрами, вокруг которых концентрировалась промышленность и сельское хозяйство. Хозяин мельницы был самым уважаемым человеком в округе. Богатство и зажиточность жителей той или иной местности определялись по плотности расположения мельниц. Как сейчас мы определяем приближение к большому городу по дымящим трубам заводов, так раньше определяли приближение к крупному населённому пункту по машущим крыльям ветряных мельниц.

Идея получения энергии от поворачивающейся мельницы оказалась настолько удачной, что используется и развивается до сих пор. Хотя современный «ветряк» выглядит совсем по другому, он не мелет больше зерно, а вырабатывает электроэнергию, но принцип его действия остался неизменным. А старые добрые мельницы в северной Европе можно видеть и сегодня. Некоторые из них, несмотря на преклонный возраст, давно переваливший за сто, а то и все двести лет, всё ещё могут работать! Но их время осталось в прошлом, победил их не Дон Кихот, а появившийся позднее паровой двигатель.

Военные машины Древности

Если источников энергии в древности было не так уж и много: лошадь да мельница, то история оружия насчитывает куда как больше разных технических устройств. Как красиво и устрашающе звучат названия военных машин! Вот только некоторые из них: баллисты, требушеты, онагры, гастрафеты, скорпионы, перьеры, тенсионные спрингалды, эйнармы, полиболы.

Несмотря на такое разнообразие, принципы действия всех этих технических устройств сводятся всего к двум положениям: использование потенциальной энергии деформированного упругого элемента (как в луке) и удлинение плеча броскового рычага при вращательном движении для увеличения линейной скорости снаряда (как в праще). То есть праща и лук являются теми техническими инновациями, которые в различных сочетаниях и исполнениях нашли дальнейшее развитие в виде всех вышеупомянутых механизмах.

Первой появилась праща. Она представляет собой круглый лоскут кожи с двумя длинными ручками. В этот лоскут вкладывают камень, потом берут за ручки и сильно раскручивают камень над головой, затем отпускают одну веревочку и освобождённый камень по касательной к описываемой окружности движения устремляется в цель. Использование пращи позволяет придавать камню значительно большую скорость, чем при простом броске рукой, но при этом сильно страдала прицельность. Даже при долгих тренировках точность попаданий оставляла желать много лучшего, а шанса раскрутить второй камень враг часто уже не предоставлял.

Более точным оказался лук. Первые упоминания о массовом использовании лука относятся к 1500 г. до н.э., хотя, конечно, он был изобретён ещё раньше. Все основные усовершенствования классического лука связаны с изменением его конструкционных материалов. Сначала делали цельнодеревянные луки, затем композиционные, состоящие из нескольких склеенных разных пород деревьев и даже костей. Дальность полёта определялась коэффициентом жёсткости лука и величиной его деформации. Чем труднее натягивать тетиву, тем большей кинетической энергией обладает вылетающий снаряд (стрела или болт). Понятно, что убойная сила лука ограничена физическими возможностями заряжающего его лучника.

Поэтому все дальнейшие усовершенствования связаны с увеличением силы натяжения лука, которое достигалось использованием различных вспомогательных механизмов. Первым промежуточным звеном между луком и арбалетом был Гастрафет («брюшной лук»). Для взведения тетивы его одним концом упирали в землю, а на другой конец наваливались животом, отчего и происходит и название «гастрафет».

Увеличение размеров лука и появление механизмов натяжения тетивы привело к появлению первых полноценных метательных машин, которые уже можно было использовать при осаде крепостей. Замена тетивы лентой, а стрелы - камнем привела к появлению баллист. Баллисты являлись прототипом современной полевой артиллерии, их возили на лошадях, мулах или быках.

Одно из самых древних и достоверных описаний применения больших метательных машин можно найти в сообщении Плутарха об осаде Сиракуз римлянами (214-212 гг. до н.э.). Масштабы вооружённости древних армий этими устройствами поражают. Например, при взятии Карфагена (146 г. до н.э.) у защитников было отбито 120 больших катапульт и 200 малых, а также 33 большие баллисты и 52 малых.

По свидетельству древнеримского историка Вегетия, каждая центурия (воинское подразделение, имеющее до 100 воинов) - имела одну карробаллисту, а на каждую когорту (12 центурий) добавляется ещё и катапульта. Таким образом, один легион (60 центурий) имел на вооружении около 60 карробаллист и 5 катапульт. В трактате Вегеция «Военное дело у римлян» описано подробное боевое расписание легиона, должностей и окладов, состава подразделений и даже штатная численность «баллистического» парка легиона. Естественно, что нападавшие противники, менее продвинутые в техническом отношении, могли поражаться римлянами на безопасном для них расстоянии. Битва часто заканчивалась ещё до непосредственного рукопашного контакта межу противниками.

Если учесть, что римские воины только то и делали, что воевали или тренировались в искусстве боя и во взаимодействии между подразделениями, то шансы нападавших на них «любителей - ополченцев» и вовсе стремились к нулю.



Вершиной развития военной мысли античного мира является онагр. Как видно из рисунка, действие онагра основано на использовании принципа действия лука и пращи, скручивающийся жгут заменяет тетиву, а груз на верёвке движется подобно праще.

Но с падением Римской империи произошёл и упадок в вооружении. В ранние средние века широко использовался требуше (или требушет), довольно примитивный агрегат, по изяществу намного проигрывающий машинам римлян. Но его преимущество было в простоте устройства и эксплуатации.

Принцип действия очень прост: основу составляет неравноплечный рычаг, к его короткому плечу привязывают тяжелый груз, а к длинному - верёвку на конце которой находится метательный снаряд в мешочке. Тяжелый груз поднимают вверх, рычаг закрепляют - требушет заряжен. Затем рычаг освобождают, груз под действием силы тяжести начинает опускаться вниз, снаряд на другом конце поднимается, разгоняется и вылетает.

Древнегреческий ученый Архимед, большинству из нас известный по открытому им закону и по истории купания в ванной, был еще и величайшим военным инженером. Изобретенные им механические устройства позволяли крошечной армии города Сиракузы долгое время выдерживать осаду римской армии - самой большой и оснащенной армии того времени. По легендам, Архимед применял систему зеркал для сожжения римских кораблей на подступах к городу и даже изобрел пушку, в которой водяной пар выстреливал каменные ядра. Если это так, то Архимед опередил свое время даже не на века, а на целое тысячелетие!

Как примерно выглядело взятие Сиракуз, мы можем увидеть в фильме… «Властелин Колец»! В этом известном фильме действие разворачивается в несуществующем мире-фэнтези, но при показе штурма крепостей очень красочно показаны вполне реальные военные приспособления Древности. В этом фильме можно наблюдать действия требушетов, баллист, таранов, арбалетов и онагров.

Дальнейшее развитие получил миниатюрный вариант баллисты, который стал называться арбалетом. Специальный механизм натяжения тетивы позволял стрелять с очень большой скоростью короткими стрелами - болтами. Пробивная способность этого оружия сводила к нулю преимущества рыцарской защиты. Городские ополчения стали мощной силой, способной противостоять профессиональным отрядам рыцарей. Типичная ситуация, когда дилетант, вооружённый новым техническим средством, оказывается значительно сильнее профессионала с устаревшим вооружением.

Время всех этих карманных арбалетов и гигантских деревянных монстров закончилось с появлением огнестрельного оружия. Но и сегодня, глядя на все эти баллисты, мы восхищаемся древними конструкторами, сумевшими довести до совершенства практическое воплощение идеи действия лука и пращи.

Темы для докладов и рефератов

Архимед - величайший военный инженер древности.

Техническое оснащение римской армии.

Боевые машины Древности в современных фантастических фильмах (на примере фильма «Властелин Колец»).

Законы физики в метательных машинах.

Техническое обеспечение древнеримского Колизея.

Устройство древней китайской мельницы.

Современные простые механизмы в арсенале альпиниста.

Литература

1. Виргинский, В.С. Очерки истории науки и техники с древнейших времен до середины XV века: Кн. для учителя / В.С. Виргинский, В.Ф. Хотеенков. М.: Просвещение, 1993.

2. Военно-историчесский портал древности и средних веков - www.xlegio.ru/

3. Сайт журнала «Наука и жизнь» - www.nkj.ru

2.2 Тепловые двигатели

Век машин: заменить цель скоростью.

Карел Чапек

Время, место	Событие
1705 г., Англия	Томас Ньюкомен изобрел паровой насос с цилиндром и поршнем
1763 г., Россия	Иван Ползунов изобрёл пароатмосферную машину
1769 г., Франция	Кюньо изобрёл самодвижущуюся паровую повозку
1784 г., Англия	Уаттом изобретен паровой двигатель
1801 г., Франция	Филипп Лебон получил патент на конструкцию газового двигателя
1807 г., США	Спущен на воду первый пароход Фултона «Клермонт»
1816 г., Дания	Шотландский пастор Роберт Стирлинг получил патент на двигатель внешнего сгорания
1859 г., август, США, г. Тайтесвилл	Начата первая нефтедобыча
1860 г., Бельгия	Жан Жозеф Этьен Ленуар создал первый двигатель внутреннего сгорания
1877 г., Германия	Август Отто запатентовал четырёхтактный газовый двигатель
1883 г., Германия	Готлиб Даймлер и Вильгельм Майбах создали первый бензиновый двигатель с зажиганием от раскалённой полой трубочки, открытой в цилиндр
1893 г., Венгрия	Донат Банки изобретает карбюратор
1893 г., 23 февраля, Германия	Рудольф Дизель получил патент на «экономичный термический» двигатель
1913 г., США	Заработал первый автомобильный конвейер на заводе Генри Форда

«Ничто не может сравниться с коляской, запряженной лошадью», - настаивал Чонси Депью, президент Центральной железнодорожной компании Нью-Йорка, отговаривая своего племянника от вложения денег в новую компанию Генри Форда. И было это чуть больше 100 лет назад…

Облик нашего современного мира уже немыслим без вездесущих автомобилей, так же невозможно представить, каким бы был наш мир без самолетов, теплоходов, железнодорожного транспорта, чем бы мы занимались вечерами, если бы не было электричества.

Всё это оказалось бы невозможным, если бы не был изобретён двигатель внутреннего сгорания (ДВС).

Трудно сказать, с чего начинается история его воцарения. Как и всякое техническое изобретение, свои появлением ДВС обязан множеству различных предпосылок: разным изобретениям, созданию новых конструкционных материалов и видов топлива.

Справедливым будет начать историю с 1705 года, когда английский изобретатель Томас Ньюкомен построил пароатмосферную машину для откачки воды из шахт. Это, конечно, был не двигатель внутреннего сгорания в классическом понимании, но в нём присутствовали главные элементы будущего ДВС - поршни. Нагретый пар под давлением поступал в цилиндр и совершал работу, толкая поршень. Также там использовался кривошипно-шатунный механизм и маховик. Все эти детали присутствуют и в современных двигателях.

Двигатель Ньюкомена имел чрезвычайно низкий КПД и важен был только потому, что наглядно демонстрировал принцип, который можно использовать для превращения внутренней энергии топлива в кинетическую энергию для совершения работы.

Ползунову и Уатту удалось повысить КПД паровой машины.

Ползунов использовал два цилиндра, соединённых кривошипно-шатунным механизмом. Пар в цилиндры подавался попеременно, он толкал каждый из цилиндров вниз. В первом двигателе Ньюкомена пар подавался в один цилиндр попеременно по разные стороны поршня. В ходе технической эволюции победил вариант, впервые использованный Ползуновым.

В 1785 г. один из первых двигателей Уатта был установлен на пивоваренном заводе в Лондоне.

Машина имела мощность в 24 лошадиных силы, диаметр цилиндра - 63 см, ход поршня 1,83 м (!) и маховик диаметром 4,27 м. Но по тем временам это был компактный двигатель. При таких размерах отдельные детали также были немаленькими. Неудивительно, что этот двигатель сохранился в рабочем состоянии до сих пор. Его можно увидеть и даже привести в действие в музее «Пауэрхаус» в Австралии.

Иван Иванович Ползунов умер в 38 лет и не дожил до пуска своего изобретения, который состоялся в июне 1766 г. на Барнаульском медеплавильном заводе. Машина проработала всего 43 дня, но дала прибыль в 12418 рублей, (огромные деньги по тем временам). Затем она была разрушена, а идея - забыта.

Следующий важный шаг был сделан в 1801 году. Филипп Лебон взял патент на конструкцию газового двигателя. Принцип действия этой машины основывался на том же принципе, что и у паровых машин. Но разница заключалась в том, что в качестве рабочего тела использовался не водяной пар, а смесь светильного газа с воздухом. В двигателе Лебона были предусмотрены два компрессора и камера смешения. Один компрессор накачивал в камеру сжатый воздух, а другой - сжатый светильный газ. Газовоздушная смесь поступала потом в рабочий цилиндр, где воспламенялась. Двигатель был двойного действия, то есть попеременно действовавшие рабочие камеры находились по обе стороны поршня. В этом устройстве уже можно увидеть прообраз современного двигателя. В 1804 году Лебон погиб, так и не успев довести свою идею до практического применения. Паровая машина пока оставалась вне конкуренции.

Бельгийский инженер Жан Этьен Ленуар создал первый коммерчески успешный ДВС. Основная идея заключалась в том, чтобы воспламенять смесь непосредственно в цилиндре с помощью электрической искры. Для успешной работы своего двигателя Ленуар создал систему водяного охлаждения и смазку. Так родилась ещё часть узнаваемых в современном двигателе систем и механизмов.

В 1877 году немецкий изобретатель Август Отто усовершенствовал двигатель Ленуара, доработал кривошипно-шатунный механизм и создал первый четырёхтактный двигатель, резко увеличив тем самым его КПД.

Топливом для двигателей по-прежнему служил светильный газ.

Ещё в 1872 году американец Брайтон в качестве топлива пытался использовать смесь керосина с воздухом, затем смесь бензина с воздухом. Для получения смеси им был создан один из первых «испарительных» карбюраторов, но он оказался неудачным.

Немецкий инженер Готлиб Даймлер вместе со своим другом Вильгельмом Майбахом в 1883 году создали двигатель без газогенератора, очень лёгкий, компактный и мощный. Увеличение мощности было достигнуто за счёт увеличения частоты вращения вала с зажиганием смеси от раскалённой полой трубки.

Завершением формирования современного облика ДВС мы обязаны венгерскому инженеру Донату Банки, запатентовавший в 1893 году карбюратор, принцип действия которого используется и поныне. Бензин не испаряется в нём, а мелко распыляется. Для этого воздух продувается вдоль поверхности бензина, поддерживаемой на постоянном уровне.

В том же 1893 году 23 февраля Рудольф Дизель получил патент на свой «экономичный термический двигатель». Экономичность в этом двигателе достигалась за счёт большей степени сжатия топлива. При таком сжатии происходит адиабатное нагревание и самовоспламенение горючей смеси, впрыскиваемой через специальную форсунку. Первый работающий образец был построен Дизелем в 1897 году.

Карбюраторные и дизельные двигатели получились наиболее удачными из всех. Развитие и конкуренция этих двигателей продолжается до сих пор с переменным успехом.

Одноцилиндровые двигатели сменились многоцилиндровыми, надёжность, мощность, отношение мощности к массе бензиновых двигателей стали недосягаемыми для паровых машин. Появилась возможность поставить двигатель на аэроплан. Началась эпоха моторов…

Конкурентом двигателей внутреннего сгорания являются двигатели внешнего сгорания. Наиболее известен двигатель, изобретённый Робертом Стирлингом, запатентованный им в 1816 году. Двигатель внешнего сгорания является старшим братом более удачливого двигателя внутреннего сгорания. В 1845 году на литейном заводе в Дании была пущена машина Стирлинга мощностью 50 лошадиных сил, проработавшая в течение трех лет.

Но «младший брат» оказался на редкость проворным, и изобретённая Стирлингом машина была совершенно забыта.

Принцип действия этой машины заключается в том, что циклические процессы сжатия и расширения происходят при различных уровнях температур, сжатие происходит при низкой температуре, а расширение - при высокой. Это приводит к разности давлений и, в конечном итоге, даёт выигрыш в работе за один цикл. Нагрев в двигателе Стирлинга происходит не внутри цилиндра путём воспламенения смеси, а снаружи. Тепло к газу подводится извне, через стенку цилиндра. Поэтому это устройство и называется «двигатель внешнего сгорания». Принципиальное устройство этого двигателя показано ниже.

...