Открытия и изобретения ХХ века. Энциклопедия

Рентгеновские лучи

Учреждённая Альфредом Бернхардом Нобелем (годы жизни 1833—1896), шведским изобретателем и промышленником, представителем династии Нобелей (кроме Альфреда в неё входили отец Эммануэль, изобретатель подводной мины, Людвиг, брат Альфреда, создатель нефтяных промыслов в Баку, Эммануэль-младший, сын Людвига Нобеля), Нобелевская премия в ХХ веке стала самой престижной наградой в области науки, литературы и общественной деятельности. Правильней говорить, конечно, о Нобелевских премиях, поскольку ежегодно вручается не одна, а несколько премий… Так вот, первым лауреатом Нобелевской премии по физике стал немецкий учёный Вильгельм Конрад Рентген. О нём и пойдёт наш рассказ…

Вильгельм Рентген появился на свет 27 марта 1845 года в Германии, в Леннепе близ Дюссельдорфа. В 1868 году юный Рентген получил диплом Цюрихского политехникума, собираясь стать инженером. Но тут же поступил в университет того же Цюриха – его интересует только физика. Защитив диссертацию, Рентген остаётся в том же университете в качестве ассистента на кафедре физики. Этим событием начинается его научная деятельность.

Всю жизнь Рентген проработал в лучших европейских университетах – в Гиссене (здесь он вспоследствии занял пост директора Физического института), Страсбурге, Вюрцбурге (здесь он в 1894 году дослужился до поста ректора), Мюнхене (а здесь долгие годы возглавлял кафедру физики). И везде его интересовала, прежде всего, научная работа. Рентген вёл достаточно замкнутый образ жизни, а с годами почти не общался с бывшими учениками и ведущими учёными того времени – общение сводилось лишь к деловой и научной переписке. Круг его друзей был весьма ограничен. Рентген не посещал научных форумов и съездов. После совершённого им открытия, на Рентгена обрушился дождь престижнейших наград и почётных званий. Ему было предложено место академика, но он отклонил это предложение. Так же отклонил предложение дворянского звания и многочисленные ордена, практически, всех европейских держав. Более того, открытые им лучи Рентген упорно называл «х-лучами», хотя вся научная общественность мира называла их «рентгеновскими».

Вроде бы вырисовывается образ нелюдимого, крайне замкнутого, погружённого в себя человека. Но этот образ очень далёк от истины… Мы ещё много раз увидим таких людей – беззаветно преданных своему делу, любознательных, полностью сосредоточенных на науке. Это подвижники и самые настоящие герои. Для них не имеют никакого значения звания и почести, деньги и роскошь… Думаете, мы преувеличиваем? В 1914 году после начала мировой войны, Вильгельм Рентген, весьма зажиточный человек, решил, что не имеет права жить лучше других. Тяготы войны касались всех, в том числе и его. И Рентген передаёт все без остатка личные средства государству. И не оставляет себе абсолютно ничего. Этот шаг, кстати, обошёлся этому человеку очень дорого. В конце жизни он испытывал самую настоящую нужду. Как рассказывал ученик Рентгена академик Абрам Фёдорович Иоффе (годы жизни 1880—1960), после смерти супруги Рентген хотел посетить те места в Швейцарии, где они с женой жили в молодости. Чтобы совершить это небольшое путешествие, он целый год копил деньги, отказывая себе в самом элементарном, в частности, отказался от кофе.

Необычная скромность всегда отличала истинных героев науки. Всем людям приятно осознавать себя победителями, но не все стараются продемонстрировать свои награды и напомнить о своих достижениях. Таких учёных, как Вильгельм Рентген, невозможно представить в парадном мундире, увешанном орденами или, как говорят сегодня, на научной «тусовке». И в быту эти люди обычно мудры и добры. Талантливый человек талантлив во всём. А гений и злодейство вещи и в самом деле несовместные – как тонкий аналитический ум и пустое фанфаронство…

Событие, ставшее венцом творческого поиска Вильгельма Рентгена, состоялось 8 ноября 1895 года. Ректор Вюрцбургского университета, профессор физики и выдающийся учёный-экспериментатор Вильгельм Рентген проводил опыты со стеклянной разрядной трубкой. Следует сказать, что интересы Рентгена, как физика, простирались достаточно широко. Он изучал свойства жидкостей – физику их сжимаемости, процессы внутреннего трения, поверхностного натяжения. Исследовал свойства газов – поглощение ими инфракрасных лучей. Работал с кристаллами – изучал пьезоэлектрические и пироэлектрических явления. Исследовал процессы лучепреломления в кристаллах и жидкостях, фотоионизацию и другие физические процессы. В частности, Рентгеном был открыт феномен «намагничивания движением», при котором в диэлектриках, движущихся в электрическом поле, возникает магнитное поле.

Рентген обернул разрядную трубку светонепроницаемой бумагой и обнаружил, что на расположенном рядом с трубкой экране, смоченном раствором платино-синеродистого бария возникает кратковременное затухающее свечение, которое называется флуоресценцией. Рентген пришёл к выводу, что некое неизвестное ранее излучение, которое возникает в разрядной трубке под воздействием катодных лучей. Его догадка оказалась верной. Поток электронов, испускаемый катодом трубки, налетая на препятствие – промежуточный электрод – резко тормозятся и генерируют излучение сверхвысокой частоты, гораздо более высокой, чем у волн оптического диапазона. Это открытие противоречило представлениям о спектральной шкале электромагнитных волн, бытовавшим в то время. Оказалось, что за фиолетовой, видимой границей спектра, и за уже известной невидимой ультрафиолетовой располагаются волны ещё более короткой длины. Рентген назвал их «х-лучами». А позже выяснилось, что дальше располагаются волны гамма-диапазона.

Но поначалу учёный понял лишь то, что открытые им лучи легко проходят через непрозрачные перегородки и вызывают флуоресценцию платино-синеродистого бария и… почернение фотопластинок. Тут же возникла мысль о практическом применении «х-лучей», прежде всего, в медицине, для быстрой и безошибочной диагностики заболеваний. И это было в высшей степени верное предположение. Рентгеновские лучи позволили определять начало развития таких опасных заболеваний, как туберкулёз и рак, оценивать степень повреждения костей при переломах и вывихах, причём быстро, легко и безошибочно. Позже были проведены соответствующие исследования и выявлены пороговые значения безопасных доз излучения, при которых не происходит изменений в биологических тканях. Началась эпоха массового распространения рентгеноскопии.

Значение открытия Вильгельма Рентгена было ясно уже его современникам. Учёный мир с большим интересом встретил известие о новом открытии. И вершиной признания стала первая Нобелевская премия 1901 года, именно её и получил Рентген…

Спустя более века после открытия «х-лучей» мы не можем даже представить даже своей обыденной жизни без рентгеноскопии. Рентгеновские аппараты применяются в медицине – и все мы сталкиваемся с рентгеноскопическим обследованием и в раннем детстве, и во взрослой жизни. Обычный перелом ноги (упаси нас бог от этих неприятностей, но иногда всё же случается) давно перестал быть проблемой – благодаря рентгеноскопии. То же касается диагностики опасных заболеваний, хирургии и многих областей медицины, где применяется «рентген», так для краткости мы называем рентгеноскопическое обследование. Но применение рентгеноскопии гораздо шире. В аэропортах наша ручная кладь просматривается службой обеспечения безопасности полётов при помощи рентгеновских лучей. От них не скроется ни один запрещённый к транспортировке самолётами общего пользования предмет, не говоря уже об оружии. Рентгеновские лучи работают в промышленности, в научных лабораториях – везде, где требуется заглянуть за непроницаемые преграды… Поэтому можно с полным на то основанием сказать, что открытие Вильгельма Рентгена, пришедшееся на самый конец позапрошлого столетия, оказало огромное влияние на развитие науки и техники ХХ века.

Автомобиль – начало эпохи

Какое изобретение ни возьми, про него можно сказать, что оно кардинальным образом изменило нашу жизнь. Электрифицированные железные дороги, метрополитен, авиация, космические корабли… И всё же пальму первенства следует отдать автомобилю. Достаточно представить себе – заглянуть в прошлое всё равно невозможно – каким был облик нашей планеты в веке XIX-ом. Если бы мы могли пролететь на самолёте (или хотя бы на воздушном шаре) над Европой и, тем более, над Северной Америкой, в году этак 1850-м, то не узнали бы абсолютно ничего. Леса, поля, кривые ниточки просёлочных дорог. Редкие европейские шоссе – мощёные камнем или укатанные грунтовые. Узкие улочки городов. Почти полное отсутствие каких-либо путей сообщения на территории России, на просторах Соединённых Штатов Америки, да и в других частях света тоже…

И вот – двадцатые годы минувшего столетия. Прошло 70 лет. Или чуть больше, если мы возьмём середину 30-х годов. Теперь уже настоящий, а не воображаемый самолёт, правда, полёт всё равно гипотетический… Дороги, сплошные дороги. Великолепные американские «хайвэи», европейские шоссе, соединяющие города и страны, пересекающие материки вдоль и поперёк.

Поднимемся в небо в наши дни. Если лететь на относительно небольшой высоте (с десяти километров ничего не разглядишь), то вся поверхность планеты, где бы мы ни находились, какую бы часть суши ни обследовали, сплошь покрыта серыми лентами дорог. И каких дорог! Скоростных, ровных, с удобными многоуровневыми развязками, эстакадами, сложной системой регулирования движения – светофорами, шлагбаумами, множеством дорожных указателей… И всё это заслуга невзрачной пыхтящей и чадящей самобеглой коляски – автомобиля.

Автомобиль превратился в главное транспортное средство планеты. Во многих областях он, практически, полностью вытеснил речной и даже железнодорожный транспорт. Грузовик способен доставить груз от заводских ворот к потребителю без промежуточных погрузок и накопления большого количества товара. Чтобы заполнить железнодорожный вагон и не перевозить по железной дороге воздух, надо собрать 60 тонн груза. Но один вагон через всю страну не повезёшь, приходится собирать в один состав двадцать, тридцать и более вагонов. А грузовик может взять в кузов четыреста килограммов груза (или 20 тонн – когда потребуется) и быстро доставить до места назначения. И затраты на такую «мелкооптовую» перевозку будут совсем невелики, а оперативность доставки просто вне конкуренции.

Что же касается пассажирского транспорта, то легковой автомобиль или автобус давно уже используются в качестве основного вида городского и междугороднего транспорта. Кроме того, легковой автомобиль служит и транспортным средством, и предметом роскоши, и объектом увлечения миллионов, и едва ли ни самым востребованным товаром массового спроса…

Описать все марки автомобилей, даже по одному предложению на каждую, невозможно. Достойных моделей автомобилей очень и очень много. Это совершенно необъятная, хотя и крайне любопытная тема. Сосредоточимся на основных вехах развития автомобильного транспорта в ХХ веке, в хронологическом порядке.

В новое столетие автомобиль вошёл уже вполне сформировавшимся, но ещё довольно сыром виде. Четыре колеса, из которых два передних управляемые. Рулевое колесо как основное средство управления. Карданная или цепная передача на задние колёса и, что очень немаловажно, дифференциал.

Чтобы понять значение дифференциала, обратимся к простейшей железнодорожной колёсной паре. Два колеса жёстко закреплены на общей оси и часто изготовлены в виде единой неразъёмной конструкции. Когда колёса передвигаются прямолинейно, никаких проблем не возникает. Но вот впереди поворот. При повороте в какую-либо сторону оба колеса описывают траекторию, по форме являющуюся сегментом окружности, то есть правильную дугу. При этом наружное колесо (левое, если поворачиваем направо, или правое, если поворачиваем налево) проходит больший путь, чем колесо внутреннее – длина внешней дуги больше, чем длина внутренней. Если дуга имеет относительно небольшой радиус закругления, внутреннее колесо, вращающееся с той же скоростью, что и внешнее из-за общей оси, будет проскальзывать, вращаясь быстрей, чем нужно, а внешнее, наоборот, будет замедляться. В результате транспортное средство будет двигаться с неизбежной пробуксовкой – с повышенным износом колёс и путей. Чтобы избежать этого неприятного эффекта, железные дороги строят таким образом, чтобы радиусы закруглений рельсов на поворотах были как можно более пологими, большими. В этом случае и пробуксовка, и износ колёсных пар минимален. Когда мы едем в вагоне метро и слышим за окном свист – это и есть проявление этого эффекта поворота зависимых колёс, жёстко закреплённых на общей оси… Но как бороться с пробуксовкой на автомобиле? Устраивать перекрёстки с радиусом поворота в десятки метров? Но в момент появления автомобиля никаких дорог не было, кроме тех, по которым двигался гужевой транспорт. И конструкторам следовало приспособить автомобиль к дороге, а не наоборот.

Дифференциал – это две большие конические шестерни, установленные на разрезанной на две части оси задних колёс, на которые передаётся крутящий момент с вала двигателя. Это ведомые шестерни, которые механически соединены между собой парой одинаковых конических шестерён малого диаметра – сателлитами. Ведущая шестерня, тоже коническая, соединённая карданным валом с валом коробки передач, опять же, через коническую шестерню, приводит во вращение обе ведомые шестерни. Во время поворота, когда внутреннее колесо притормаживается силами трения колеса о поверхность дороги, сателлиты приходят в движение и, перекатываясь внутри дифференциала, приводят к тому, что ведомая шестерня внутреннего колеса начинает вращаться медленнее, а внешнего – быстрей. Происходит перераспределение крутящего момента и устраняется эффект пробуксовки. Недостатком дифференциала является то, что при «вывешивании» одного из колёс (то есть утрате им контакта с дорогой), второе колесо останавливается – весь крутящий момент передаётся свободному колесу, а потому движение автомобиля прекращается. Чтобы избежать этого, позже был изобретён отключающийся, а затем и самоблокирующийся дифференциал. Все современные автомобили (с механической трансмиссией) оснащены самоблокирующимся дифференциалом.

Далее – первые автомобили, выпускающиеся в начале ХХ веерка, имели коробку передач. Совершенно необходимый механизм, позволяющий эффективно использовать крутящий момент двигателя. Дело здесь в том, что коленчатый вал даже самого тихоходного двигателя внутреннего сгорания вращается со слишком большой скоростью, чтобы его можно было напрямую соединить с колесом. Частота вращения старинных двигателей была относительно невелика – на уровне 1400—1600 оборотов в минуту. Но и это, повторяем, слишком большая скорость. Для её снижения была изобретена коробка передач (конструкцию позаимствовали у других механизмов, возможно, у токарного станка). Первая передача самая тихоходная, она понижает частоту вращения в десять и более раз. Это позволяет автомобилю тронутся с места и плавно набрать скорость. Кроме того, с понижением частоты вращения повышается крутящий момент – сила, приводящая колесо во вращение. То есть эффект здесь двойной – едем медленней, но тяга при этом сильней. Едем быстрей, но уменьшается и тяга. Первые коробки передач были двух и трёхступенчатыми. Примечательно, что задний ход появился не сразу и не в том виде, каким мы знаем его сегодня. Например, знаменитая «Жестянка Лиззи», «Форд-Т» американского конструктора и промышленника автомобилей Генри Форда имел столько же скоростей движения вперёд, сколько и назад. Специальной педалью водитель вводил в зацепление специальную реверсивную шестерню, и карданный вал начинал вращаться в обратную сторону, а автомобиль ехал назад – с теми же скоростями, что и вперёд, в зависимости от включенной передачи.

Рулевое управление у первых автомобилем было очень простым – велосипедного типа, поскольку переднее колесо было только одно. Но вскоре общее количество колёс увеличилось до четырёх, и появился классический механизм рулевого управления, с рулевым колесом, валом, соединённым с поперечной тягой и поворотными опорами, на которые устанавливались полуоси для крепления передних колёс. Тормоза с тяговым или тросовым управлением воздействовали только на задние колёса. Правда, и скорость движения была совсем невелика…

С 1900 по 1920 год в автомобильной промышленности происходят важные изменения, напрямую связанные и с конструкцией автомобилей. Прежде всего, из технической игрушки, забавы для богатых, автомобиль становится массовым средством передвижения, доступным миллионам людей.

1 октября 1908 года из ворот «Форд Мотор Компани» выехал первый автомобиль модели «Форд Т». Это был итог пятилетней работы Генри Форда (годы жизни 1863—1947), создавшего и само предприятие, и выпустившего к тому времени целых 19 моделей автомобилей, продававшихся по весьма демократичной цене – машину мог купить любой американец среднего достатка, поскольку машина стоила в среднем от 500, до 850 долларов (правда, доллар в то время «весил» гораздо больше, чем доллар сегодняшний). В 1913 году «Форд Т» (с введением конвейера) стал основной продукцией компании и продержался в производстве до 1927 года. За 19 лет было произведено около 18 миллионов автомобилей, при этом 15 007 033 экземпляров было продано в США. Эта великая (хотя и совсем небольшая) машина сделала Америку ведущей автомобильной державой. А главным изобретением Генри Форда, помимо самого автомобиля «всех времён и народов», стало введение конвейерного производства.

До начала 30-х годов автомобиль окончательно приобрёл классические черты. Рамная конструкция шасси, металлический, а не деревянный, кузов из штампованных листов, соединённых между собой болтами и сваркой, электрическое зажигание, аккумулятор и генератор, электрическое, а не ацетиленовое, освещение, штампованные, а не спицованные, колёса, барабанные тормоза с механическим, а к концу 30-х годов и гидравлическим приводом. В качестве необязательных дополнений появляются система обогрева салона водой из системы охлаждения двигателя. Стеклоочистители, электрические указатели поворота (поначалу они были механическими в виде откидных стрелок, либо отсутствовали вовсе). Определилось и расположение рулевого колеса – даже в Америке, где движение было, как и в Европе, правосторонним, руль располагался с правой стороны салона автомобиля. Но вскоре (к 10-м годам ХХ века) руль сместился влево.

Кстати, а почему в Англии и в ряде других стран движение левостороннее, а руль в автомобилях расположен справа? Ответ уходит в глубокую древность – в Древний Рим, где уже к началу нашей эры существовала специальная дорожная полиция и правила дорожного движения. Эти правила предписывали возницам передвигаться по левой стороне дороги, дабы кнутом, который удерживали в правой руке, случайно не зацепить пеших путников. Эти «римские правила» и сохранила консервативная Великобритания, а с ней и её колонии.

К концу 30-х, началу 40-х годов ХХ века появились автомобили нового типа – с несущими кузовами, в которых отсутствовала отдельная рама из балок или труб. В Европе, прежде всего, во Франции и Германии, появились переднеприводные машины. Это были небольшие автомобильчики массового спроса, в которых привод на передние колёса осуществлялся посредством шарниров с равными угловыми скоростями. Классический шариковый шарнир утвердился позже – в 50-е годы.

Война, как всегда, послужила катализатором развития технологий. В Америке и в России появился джип – открытый автомобильчик для разведки и командного состава с приводом и на передние, и на задние колёса. Мощные и лёгкие грузовики наводнили военные дороги Европы… Но война остановила немецкий проект Фердинанда Порше, создавшего знаменитый «Жук» – автомобильчик «Фольксваген» с несущим кузовом, двигателем воздушного охлаждения, установленным сзади. Это самый долгоживущий автомобиль на планете – он выпускался десятки лет. Его до сих пор можно увидеть на дорогах, хотя, спору нет, время его давно прошло…

Автомобиль изменил не только лик планеты, но и структуру промышленности и даже психологию людей. Автомобильная промышленность сложна и многопланова. Это не только производство моторов и кузовов, но и производство резины, красок, светотехники, электроники. А следом идёт дорожное и градостроительство, создание сервисной структуры. Но главное – широкомасштабная добыча и переработка нефти. Причём, до тако степени широкомасштабная, что сегодня, всего через сотню лет после начала массовой автомобилизации, мы стоим на пороге истощения природных запасов нефти. И это не какая-то гипотетическая опасность или печальные перспективы завтрашнего дня. Это – наша реальность.

Но не будем заканчивать рассказ об автомобиле на этой грустной ноте. Знаете ли вы, как появилась мини-юбка? Сама мода на коротенькие озорные одежды? Она появилась исключительно благодаря автомобилю. В конце 50-х годов английский инженер Иссигонис придумал маленькую машинку, назвав её «Мини». Сегодня мы можем видеть её подросшую и повзрослевшую сестру на дорогах наших городов. А та, старая «Мини» стала полноправным партнёром английского комика (и, между прочим, серьёзного автомобильного обозревателя) Роуэна Аткинсона – мистера Бина… Так вот, машинка настолько полюбилась восторженной публике, что сама идея минимализма тут же получила продолжение в одежде. Появились те самые крошечные юбчонки, получившие название «мини»… Кстати, у той первой машинки была интересная конструкция подвески колёс – резиновые пружины вместо рессор. Словно упругие резиновые мячики, вместо пружинных железок. Действительно, милая получилась машинка…

К истории автомобиля в целом и к истории создания «Мини» мы ещё обязательно вернёмся. Слишком большая тема, чтобы обойтись одним общим рассказом. Но всё это чуть ниже. Пока же поговорим о том, каким мог стать современный автомобиль. И каким он может стать в недалёком будущем.

Электромобиль – прошлое, настоящее и будущее

Рассказывая о первых шагах развития автомобиля, мы упустили одну важную деталь. Автомобиль конца XIX – начала XX века был вовсе не бензиновым чудищем, напоминавшим карету с мотором. Это был… электромобиль. Да, да, самые массовые модели, во всяком случае, самые продаваемые, выпускавшиеся если ни тысячами, то десятками и сотнями, имели электрический двигатель. И скоростной барьер в 100 километров в час взял гоночный электромобиль, а не автомобиль. Правда, в силу разных причин электромобиль быстро сошёл со сцены. И к началу Первой мировой войны электромобили уже воспринимались как технические казусы, бесперспективные самобеглые игрушки, но не как средство транспорта.

Почему это произошло? Почему электромобиль не получил развития? Ну, не совсем так – электромобили выпускались всегда и в достаточно ощутимых количествах. Это первое. И второе – они и не могли конкурировать с автомобилями, имевшими двигатели внутреннего сгорания, в силу технических причин.

Аккумулятором энергии бензинового двигателя служит жидкое топливо – бензин. Это справедливо для любого теплового двигателя, для газовой турбины, реактивного мотора, паровой машины. Кстати, первые автомобили имели и паровые двигатели. Причём, паровой двигатель считался удобней, практичней, чем двигатель внутреннего сгорания, поскольку работал на любом подручном топливе – чурках, соломе, жидком топливе. А двигателю внутреннего сгорания нужен был бензин, который приходилось добывать из сырой нефти путём отделения от неё лёгких фракций. Переработка нефти находилась ещё в зачаточном состоянии, а потому бензин был дорог и малодоступен.