Открытия и изобретения ХХ века. Энциклопедия
С 1871 года и до конца жизни Лилиенталь скрупулёзно изучал полёт птиц. Первым результатом исследований стала книга «Полёт птиц, как основа авиации», выпущенная в 1889 году. Но Лилиенталь не ограничивался сухой теорией. Он построил множество планеров, которые сам же и испытывал. В общей сложности он совершил около 2000 полётов и, благодаря этим опасным экспериментам, разработал теорию строения самолётного крыла.
Эффект подъемной силы крыла возникает в потоке встречного воздуха. Изогнутый профиль крыла (верхняя поверхность выполнена дугообразной) создает разность давлений под и над крылом. Верхняя изогнутая поверхность обладает большим сопротивлением, а потому над создается разрежение. Нижняя ровная поверхность обладает меньшим сопротивлением, а потому под ней образуется давление воздуха. Крыло удерживается давлением воздуха до тех пор, пока оно находится в набегающем воздушном потоке. Как только движение воздуха относительно крыла прекратится, прекращается и действие подъемной силы. При этом величина подъемной силы зависит от площади крыла и от скорости воздушного потока (то есть от скорости движения самого крыла). При малых скоростях подъемной силы может оказаться недостаточно для удержания крыла в воздухе. Важным достижением Лилиенталя были расчеты равновесия планера. Исследователь работал над балансирными планерами и пришел к выводу, что центр тяжести всей конструкции должен приходится на центр крыла. Лилиенталем были разработаны летательные аппараты двух основных типов – монопланы, планеры с одноярусным крылом, и бипланы, планеры с двухъярусным крылом. Именно эти конструкции и были взяты за основу первыми авиастроителями.
Отто Лилиенталь всегда испытывал свои планеры сам. Он не мог рисковать жизнью других людей, понимая опасность этих экспериментов. Его яркая жизнь оборвалась 9 августа 1896 года. Во время полёта случилось несчастье – исследователь упал с 15-метровой высоты и разбился. Это была одна из первых жертв в истории мировой авиации. И совершенно невосполнимая потеря. Можно только представить, сколько бы успел сделать Лилиенталь, доживи он до начала эпохи самолётостроения…
Идея управляемого полёта на аппарате тяжелее воздуха не давала покоя многим талантливым людям. Примерно в те же годы свой самолёт построил русский морской офицер (а в конце жизни, с 1886 года, даже контр-адмирал) Александр Фёдорович Можайский (годы жизни 1825—1890). Наши историки почитают Можайского, как изобретателя первого в мире самолёта. Но это не совсем так – «воздухоплавательный снаряд» Можайского был построен в 1881 году, изобретатель получил на него патент (по бытовавшей тогда в России терминологии привилегию), но этот аппарат так никогда в воздух не поднялся. Он был слишком тяжёл и несовершенен с точки зрения аэродинамики. В качестве двигателя использовался паровой двигатель, не развивавший достаточной мощности. Поэтому назвать Можайского изобретателем самолёта можно по такому же праву, как Леонардо да Винчи изобретателем вертолёта и танка…
17 декабря 1903 года два американских энтузиаста воздухоплавания и изобретателя, братья Райт – Уилбер (годы жизни 1867—1912) и Орвилл (годы жизни 1871—1948) выкатили на поле неуклюжий аппарат собственной конструкции под гордым названием «Флайер». Дело было в США. Аппарат был выполнен по схеме биплана – два крыла были установлены одно над другим. 12-сильный 100-килограммовый двигатель внутреннего сгорания был установлен на нижнем крыле. Мотор развивал 1400 оборотов в минуту и посредством цепной передачи приводил во вращение два толкающих винта – пропеллера, установленных симметрично позади крыльев. Пропеллеры имели диаметр в 2,6 метра. Рядом с двигателем, на том же нижнем крыле, была закреплена гондола для пилота и тросовая система управления воздушными рулями.
Поскольку прототипов самолётов не существовало и существовать на тот момент не могло, все расчёты братья Райт провели самостоятельно. Сами же изготовили и двигатель, и пропеллеры. Первым же важным открытием стало осознание того, что пропеллер не может быть универсальным. Его надо рассчитывать специально под конкретный двигатель. Кстати, а почему пропеллеры имели такой большой диаметр? Причины две. Первая – двигатель был низкооборотным и относительно слабосильным, поэтому конструкторы решили оснастить его большими винтами, чтобы лучше реализовать мощность мотора. И вторая – Райт жили в Америке, где использовалась английская система мер. 2,6 метра – это сотня дюймов.
Крыло «Флайера» было крайне примитивным. Тканевая обшивка натягивалась на каркас. В боковом разрезе крыло представляло собой пологую дугу, нижняя часть несущей плоскости была открытой. Но тогда ещё не существовало элементарных понятий аэродинамики и рассчитать более эффективную конструкцию крыла Райт попросту не могли.
У первого самолёта не было никакого шасси. На земле «Флайер» стоял на паре деревянных брусьев. К брусьям крепилась двухколёсная тележка, которая двигалась по узкому деревянному настилу – рельсу. А в движение её приводили помощники конструкторов, которые тянули тележку при помощи верёвки, перекинутой через колесо блока.
Первый же полёт был успешным – самолёт пролетел 36,6 метра и продержался в воздухе 12 секунд. Конечно, сегодня этот результат мы бы назвали, скорее не полётом, а прыжком. Но в тот день, 17 декабря 1903 года, Райты ещё трижды поднимали «Флайер» в воздух, увеличив дальность полёта до 260 метров, а длительность до 59 секунд. На этом полёты «Флайера» и завершились. Следующая модель самолёта братья назвали «Флайер-2». И это уже был настоящий самолёт…
Спустя ровно 100 лет Америка решила отметить первый полёт «Флайера» реконструкцией этого великого события. Была построена точная копия первого в мире самолёта. Были возведены и деревянный рельс и разгонная тележка. Даже метеорологические условия были выбраны примерно такие же, какими они были 100 лет назад. При большом стечении народа мотор был запущен, ассистенты взялись за конец верёвки, напряглись и… самолёт не полетел. Ни с первой, ни со второй, ни с какой бы то ни было вообще попытки. «Флайер», точнее, его копия, оказался совершенно неработоспособным аппаратом. Позже эксперты заявили, что «Флайер» братьев Райт не мог летать в принципе, поскольку был неверно спроектирован. А Уилбер и Орвилл Райт этого не знали и – полетели. Такая вот любопытная история…
Спустя пять лет, в 1908 году, братья, воодушевлённые успешными испытаниями второго самолёта, основали первую авиастроительную компанию – во Франции. В следующем 1909 году такие же компании были основаны в США и в Германии. А в 1913 году появилась четвёртая компания братьев Райт – в Великобритании. Эпоха мировой авиации стартовала стремительно и энергично. Всего через 11 лет в воздухе Америки и Европы уже летали быстрые и вёрткие военные самолёты. И это были далеко не громоздкие «этажерки», вроде «Флайера».
Как это обычно и случается, толчком к развитию новой технологии стала война. Неповоротливые и уязвимые дирижабли, неуправляемые аэростаты тоже были грозным оружием. Но самолёты легко расправлялись и с теми, и с другими. А вскоре появился новый вид оружия – бомбардировщики, которые без помощи артиллерии, точно и без потерь могли уничтожать наземные цели противника.
К середине Первой мировой войны в воздухе развернулась настоящая воздушная война. Асы одной стороны сталкивались с асами другой воюющей стороны. Это было время «воздушных рыцарей», создавших свой кодекс ведения воздушного боя. И главным их оружием были истребители – лёгкие трипланы, бипланы и монопланы (самолёты с тремя, двумя или одним рядом крыльев) с пулемётным вооружением, выпускающиеся ведущими авиастроительными компаниями Европы. Самолётостроение развивалось семимильными шагами. К концу войны в 1918 году в небе летали совсем другие самолёты, нежели четырьмя годами раньше.
Этот период самолётостроения можно называть «классическим». И самолёты того далёкого времени вовсе не сошли со сцены и не канули в лету. Как и старинные автомобили, они выпускаются до сих пор небольшими компаниями – копии, конечно. Особой популярностью пользуются маленькие бипланы и монопланы 30-х годов, которые сочетают черты «классической» конструкции самолёта – с открытой кабиной, поршневым бензиновым двигателем со звёздообразным расположением цилиндров и воздушным охлаждением – и современные материалы, дюралюминии и пластик. В США, где самолётный спорт наиболее распространён и множество небольших самолётов используется частными лицами в качестве личного транспорта, подобные «реплики» пользуются особой популярностью, наряду с общеизвестными «Сесснами» – рабочими лошадками неба, в которых легко угадываются те же классические черты самолётов первой трети ХХ века.
Глава 5
Электронная лампа – начало электроники
История великих изобретений – это, прежде всего, история жизни, поиска и упорства талантливых людей. Иногда на поиски истины уходят десятилетия, иногда – целая жизнь… На изобретение первого электронного прибора, вакуумного диода, английскому физику Джону Амброзу Флемингу (годы жизни 1949—1945) потребовалось двадцать лет. Два десятка лет труда, исследований, экспериментов и ошибок.
Изобретение электронной лампы связано с изобретением обычной осветительной лампы накаливания и именем одного из величайших изобретателей в истории Томаса Эдисона. Дело было в Англии, в лондонской компании Эдисона, где Флеминг работал «советником по электричеству». Сотрудники компании экспериментировали с различными материалами, пытаясь добиться приемлемой продолжительности работы ламп накаливания. В 1882 году Флеминг обратил внимание на то, что лампы, легко перегоравшие от малейшего сотрясения, меняют цвет стеклянной колбы. Когда лампа перегорала, колба покрывалась изнутри лёгким налётом материала нити. И только узкая U-образная полоска напротив перегоревшей нити оставалась чистой. Полоска эта в точности повторяла форму нити накаливания. Флеминг предположил, что в момент наибольшего накала нить испускала молекулы углерода или металла, в зависимости от того, из какого материала была изготовлена нить (эксперименты проводились с самыми разными материалами – конструкторы искали самый долговечный). В конце 1882 и начале 1883 годов учёный провёл ряд экспериментов, подтвердивших его гипотезу. В том же 1883 году этот феномен заметил и сам Эдисон, который работал в Америке. В результате этот процесс получил название «эффекта Эдисона», хотя мастер так и не смог найти ему внятного объяснения. В октябре 1884 года за «эффект Эдисона» взялся другой учёный – Вильям Прис. Он пришёл к тому же выводу, что и Флеминг – стекло колбы подвергалось бомбардировке молекулами углерода нити накаливания. Но констатацией факта дело и закончилось.
Спустя четыре года, в 1888 году, Флеминг работает со специальными лампами накаливания, в колбы которых вмонтирована металлическая пластинка. Эта пластинка должна была работать в качестве отражателя. Но Флеминг подключил к ней гальванометр и… заметил, что, при подключении к нити накаливания положительного электрода батареи питания на пластинке появляется электрический ток, то есть стрелка гальванометра отклоняется. Флеминг изменил полярность – подключил к нити накаливания отрицательный электрод батареи. Тока на пластинке нет. Учёный повторяет опыты и убеждается, что ток в лампе идёт только в одном направлении. Флеминг даёт название электродам лампы. Нить, к которой подключен отрицательный вывод батареи питания, он называет катодом, а принимающую заряды пластинку – анодом.
Прошло ещё несколько лет. Наступил ХХ век. Флеминг продолжал свои исследования в области электротехники, но из его головы не шла одна мысль – как, каким образом можно использовать удивительный «эффект Эдисона» на практике. Должно же быть ему хоть какое-то применение? И тут Флеминг, который был, как и многие учёные того времени, увлечён изобретением Маркони, подумал, что вакуумная лампа может использоваться как выпрямитель переменных токов, в том числе и применяемых в радио высокочастотных. Он решил попробовать лампу в качестве детектора волн в радиоприемнике Маркони, заменив ею капризный когерер (пробирку с металлическими опилками). Флеминг собрал две схемы – первая представляла собой колебательный контур с двумя лейденскими банками (источниками постоянного тока) в деревянных корпусах и с индукционной катушкой, вторая схема включала электронную лампу и гальванометр. Обе схемы были настроены на одинаковую частоту.
Здесь мы процитируем мемуары самого Джона Флеминга. «Было приблизительно 5 часов вечера, когда аппарат был закончен. Мне, конечно, очень хотелось проверить его в действии. В лаборатории мы установили две эти схемы на некотором расстоянии друг от друга, и я запустил колебания в основной цепи. К моему восхищению я увидел, что стрелка гальванометра показала стабильный постоянный ток. Я понял, что мы получили в этом специфическом виде электрической лампы решение проблемы выпрямления высокочастотных токов. „Недостающая деталь“ в радио была найдена и это была электрическая лампа! Я сразу понял, что металлическая пластина должна быть заменена металлическим цилиндром, закрывающим всю нить, чтобы „собрать“ все испускаемые электроны. У меня в наличии имелось множество угольных ламп накаливания с металлическими цилиндрами, и я начал использовать их в качестве высокочастотных выпрямителей для радиотелеграфной связи. Этот прибор я назвал колебательной лампой. Ей было сразу же найдено применение. Гальванометр заменили обычным телефоном. Замена, которая могла быть сделана в то время с учетом развития технологии, когда повсеместно использовались искровые системы связи. В таком виде моя лампа широко использовалась компанией Маркони в качестве датчика волн. 16 ноября 1904 года я подал заявку на патент в Великобритании».
Это был первый в мире электронный радиоприёмник. Свою лампу Флеминг назвал «аудионом», но общепринятое название – «диод», то есть лампа, состоящая из двух электродов – пришло позже, в 1907 году, когда американский изобретатель Ли де Форест (годы жизни 1873—1961) усовершенствовал прибор Флеминга. Он дополнил электронную лампу ещё одним электродом, расположив его между катодом и анодом. Этот третий электрод был управляющим. При подаче на него положительного напряжения, эмиссия электронов резко увеличивалась, а ток на аноде возрастал. Таким образом, новая лампа, названная по числу электродов «триодом», могла служить не только как детектор радиоволн, но и как усилитель электрических сигналов. Универсальный детектор-усилитель получил название «аудион Фореста», но позже это название было забыто.
Изобретение триода подстегнуло других конструкторов. В 1911 году трое немецких инженеров, Либен, Рейкс и Штраус, сконструировали триод с промежуточным электродом в виде сетки из перфорированного листа алюминия. Сетка увеличивала площадь управляющего электрода и усиливала эмиссию. А в 1913 году немец А. Мейснер (годы жизни 1883—1958) открыл способность триода генерировать и усиливать электромагнитные колебания. Он построил на основе триода первый ламповый радиопередатчик, который использовал для передачи телеграфных и телефонных сигналов.
У электронных вакуумных ламп было множество недостатков. Стеклянная лампа хрупка и плохо переносит вибрации. Поэтому электронные приборы того времени быстро выходили из строя. Для промышленных и военных применений приходилось выпускать лампы особой конструкции с повышенной прочностью деталей. Катод, выполненный в виде нити накала, потреблял большое количество электроэнергии. Даже самые небольшие радиостанции и радиоприёмники приходилось оснащать либо сетевыми понижающими трансформаторами, либо громоздкими и ёмкими батареями постоянного тока. Поэтому портативной в полном смысле электронной техники на вакуумных лампах создано так и не было (кроме, конечно, специальных «шпионских» моделей радиостанций, приёмников, а потом и магнитофонов). Наконец, сам процесс термоэлектронной эмиссии, переноса вещества электрода, истощает катод. Лампа не может служить долгое время, это не заложено в её конструкцию.
Но обратимся к практике. В наше «цифровое время» остаётся достаточно энтузиастов, которые старинный и безнадёжно аналоговый немецкий радиоприёмник не променяют ни на какой суперсовременный полупроводниковый Hi-end. Эти люди не без основания утверждают (и мы об этом обязательно ещё поговорим), что звук старого лампового приёмника, выпущенного в Германии в 30-е годы, не может сравниться со звучанием самой современной акустической системы – настолько он хорош, глубок, мягок. В приёмниках этих любителей хорошего «лампового» звука работают триоды (диоды, пентоды), выпущенные 50, 60 и даже 70 лет назад! Эти старинные лампы работают и будут работать ещё очень долго. Более того, существует целый рынок старых радиоламп – исправных, конечно. Лампы выпуска 30-40-х годов пользуются особым спросом, хотя большинство предложений относятся к 50-60-м годам прошлого века.
Качественно выполненная вакуумная лампа – прибор очень долговечный и надёжный. Электронные лампы выпускаются и сегодня, правда, в небольших количествах. Они применяются в высококачественной (так называемой «аудиофильской») аппаратуре звуковоспроизведения, как, скажем, проигрыватели виниловых грампластинок. Кроме того, специальные электронные лампы выдерживают очень большие токи и обладают впечатляющим коэффициентом усиления. Эти лампы применяются в выходных контурах радиопередатчиков высокой мощности, например, в усилителях широковещательных радиостанций и, к слову, в любительской радиопередающей аппаратуре.
Электронная лампа давно уступила место полупроводниковым приборам. Но в некоторых областях она успешно применяется до сих пор. Другое дело, что такого широкого распространения, как в первой половине минувшего века, «ламповая электроника» уже никогда не получит. Это замечательная технология, но эпоха её безраздельного господства осталась в далёком прошлом.
Глава 6
Радиоактивность
Радиоактивность – одно из самых удивительных природных явлений, которое невозможно увидеть или ощутить органами чувств человека. Вдумайтесь в само определение радиоактивности – «самопроизвольное превращение неустойчивых атомных ядер в ядра других элементов, сопровождающееся испусканием частиц». По сути, превращение одних веществ в другие… Алхимия? Нет, конечно. Но цели алхимиков в результате открытия радиоактивности в некоторой мере были достигнуты. Не при помощи философского камня и не из свинца в золото, об этом не может быть и речи, но всё же было выяснено, что в определённых условиях одни вещества могут превращаться в другие. При этом источник радиоактивного излучения, практически, неиссякаем. Поразительно, не правда ли?
Открытие радиоактивности открыло дорогу к познанию строения и законов существования материи, а также целому множеству наук и, прежде всего, физике атома. Приоритет открытия радиоактивности принадлежит французскому учёному Антуану Анри Беккерелю. Это произошло 1 марта 1896 года… Но сама личность Беккереля достойна того, чтобы немного отвлечься от истории науки и посвятить некоторое время судьбе самого учёного.
Мы достаточно часто сталкиваемся с понятием рабочих или артистических династий. Потомственные корабелы, потомственные артисты, потомственные писатели (например, отец и сын Дюма). Есть династии и в «большой» науке – вспомним хотя бы великого российского физика Петра Леонидовича Капицу и его выдающихся сыновей – Андрея Петровича и Сергея Петровича. Вклад этих людей в мировую науку невозможно переоценить…
Но вот ещё один удивительный пример – династия Беккерелей. Три поколения учёных (сразу скажем – больше, но об этом чуть ниже, пусть в нашем рассказе останется место для небольшой интриги), составивших гордость французской и мировой науки. Дед Антуана Анри Беккереля Антуан Сезар (внук, кстати, был назван в честь выдающегося деда) родился 7 марта 1788 года в Шапильон-сюр-Луане, во Франции. Получив техническое образование, участвовал в военных компаниях Наполеона в качестве военного инженера. А в 1815 году подал в отставку и сосредоточился на науке. Круг его интересов был весьма и весьма обширен – Беккерель-старший занимался исследованиями фосфоресценции и флуоресценции, термоэлектричества, краисталлооптики, работал в области теоретических изысканий в области гальванических элементов, магнитных явлений, исследовал электропроводность. И уделял большое внимание образованию сына, а затем и внука, оказав огромное влияние на их становление как учёных. Антуан Сезар Беккерель скончался 18 января 1878 года в Париже, успев увидеть и сына, и внука состоявшимся учёными.
Сын Антуана Сезара Александр Эдмон Беккерель родился всё в том же Париже 24 марта 1820 года. Последовав за отцом, он сосредоточился на исследовании эффекта фосфоресценции, разработав целую теорию этого природного феномена. Он разработал и построил специальный прибор для наблюдения кратковременных явлений свечения фосфороскоп. Установил целый ряд законов фосфоресценции и люминесценции. Кроме этого, он занимался исследованиями в области фотографии, атмосферного электричества, свечения в инфракрасной части спектра. Жизненный путь Александра Эдмона Беккереля завершился 11 мая 1891 года в Париже.
Внук Беккереля-старшего и сын Беккереля-среднего Антуан Анри Беккерель родился 15 декабря 1852 года тоже в Париже. С 18 лет он работал ассистентом у собственного отца, а труд Беккереля-среднего «Свет, его причины и действия» была настольной книгой у Беккереля-младшего. Именитый дед Антуан Сезар души не чаял во внуке и, без видимых вроде бы на то причин (мальчик в раннем возрасте не выказывал каких-либо способностей) говорил о нём – «Он далеко пойдёт». Можно сказать, что юному Антуану Анри с преподавателями повезло ещё в раннем детстве. Это везение продолжалось и позже, когда молодой Беккерель стал лицеистом, а затем и студентом Политехнической школы, с первых же месяцев начал собственные научные исследования. Сама судьба вела его к вершинам науки. И он своё предназначение выполнил в полной мере…
Как это с великими открытиями обычно и бывает, всё произошло случайно. Но это была закономерная случайность. 1 марта 1896 года Беккерель исследовал люминесценцию солей урана. Закончив работу, он завернул узорчатую металлическую пластинку, покрытую солями урана, в светонепроницаемую чёрную крафт-бумагу, которая используется в фотографии для упаковки светочувствительных материалов. Эту пластинку, лабораторный образец, он положил вместе с коробкой фотопластинок в ящик письменного стола и плотно его закрыл. Прошло немного времени, и учёный обнаружил эту коробку с фотопластинками. Что это за материалы? Он… забыл. И, подчиняясь воспитанной отцом и дедом научной скрупулёзности и педантичности, решил проявить пластинки, даже если на них ничего не было снято – чтобы случайно не уничтожить результаты опытов. Уже проявляя фотоматериалы, он вспомнил – пластинки были девственно чисты. На них ничего не должно было быть. Но, проявив их, Беккерель с изумлением увидел на них узор урановой пластинки. На всех фотопластинках до единой! То есть в полной темноте, через непроницаемую крафт-бумагу соли урана засветили фотоматериалы неведомыми пока лучами. И это был определённо не свет.
Но – что в таком случае? Четыре года Беккрель ломал голову над этим вопросом и проводил один эксперимент за другим. К 1900 году он уже знал – это не результат люминесцентного свечения, не рентгеновские лучи, ни какое-либо иное, уже известное науке того времени, явление. В августе 1900 года на Международном физическом конгрессе, собравшемся в Париже для обсуждения научных итогов XIX века Беккерель уже в третий раз выступил с публичным докладом (который, кстати, был основным на этом престижном форуме) об открытом им явлении. Удивительным казалось то, что интенсивность излучения не менялась ни при физических, ни при химических воздействиях на его источник, а само излучение не уменьшалось со временем, словно исходило из неиссякаемого источника. Попутно выяснилось и пагубное воздействие таинственных лучей (у которых ещё не было никакого названия) на биологические объекты. Беккерель стал первой жертвой радиоактивного излучения. Он носил урановую пластинку в кармане, отчего на его теле появились болезненные незаживающие раны. Сам же Беккерель нашёл средство защиты – свинцовый футляр, стенки которого поглощали излучение.
И в научном мире началось то, что позже получило название «лучевой эпидемии». Десятки учёных, знаменитых и совершенно безвестных, ринулись исследовать новые лучи. Некий профессор Блондо заявил, что видел таинственные лучи и провёл их спектральный анализ. Сообщение вызвало живейший интерес и обрушило на голову учёного золотой дождь наград. Он получил золотую медаль Парижской Академии и премию в 20 тысяч франков. Но вскоре выяснилось, что никаких лучей Блондо не видел. Опытнейшие экспериментаторы, в числе которых был (вот вам и разгадка маленькой интриги, заявленной нами в начале рассказа) был Жан Беккерель, сын Антуана Анри, внук Александра Эдмона и правнук Антуана Сезара, представлявший четвёртое поколение научной династии Беккерелей, опровергли заявление Блондо. А американский учёный-экспериментатор Роберт Уильямс Вуд (годы жизни 1868—1955) завершил разоблачение. В результате «открытие» Блондо было дезавуировано, а сам профессор, не перенеся удара (вероятно, он не обманывал, а искренне заблуждался), сошёл с ума и прожил после этого очень недолго… Фундаментальная наука иногда бывает жестокой и ошибок не прощает.