XIX век. 
Философия техники и технологии

В XIX в. (особенно со второй половины) стремительно нарастали общественные изменения. Продолжалась индустриальная революция; шло бурное развитие техники, промышленности, сельского хозяйства, транспорта, торговли, городов. Казалось, что буквально все вовлечено в безудержный научно-технический и социальный прогресс. Само слово «прогресс» становится в XIX в. очень популярным.

Неуклонно расширялась институциональная база инженерно-технической деятельности. Примеру парижской Политехнической школы последовали другие европейские страны. В России открывают ряд высших технических школ: Институт корпуса инженеров путей сообщения (1809), Главное инженерное училище инженерных войск (1819), петербургский Технологический институт (1862), Московское высшее техническое училище (1868) и др. Быстро формируется система технического образования во Франции, Германии, Австрии, США и других странах. Возникают инженерно-технические общества, выходят специализированные журналы. Например, в России с 1804 г. начинает выходить «Технологический журнал», образуется Русское техническое общество (1866), которое периодически выпускает свои журналы и труды.

В Англии паровой двигатель получает все более широкое применение. В 1814 г. начинается движение первого парового омнибуса (между Лондоном и Бирмингемом). К 1829 г. Дж. Стефенсон создает действующий паровоз, и с 1830 г. в Англии развертывается железнодорожная сеть. Появляется пароходное сообщение. Паровые машины внедряются и в сельское хозяйство. Выпускается все больше разнообразных машин и производственного оборудования. Растут объемы промышленной продукции. Резко увеличиваются выплавка чугуна, добыча каменного угля, переработка хлопка. Англия становится неоспоримым промышленным лидером.

Однако со второй половины столетия на путь ускоренного индустриального развития выходят также Франция, Германия, США и другие страны. Период примерно с 1865 по 1900 г. иногда называют «второй индустриальной революцией», в ходе которой ряд капиталистических стран начинают все быстрее начинают догонять Англию.

Хотя, может быть, правильнее говорить о второй фазе промышленной революции, характеризующейся тем, что в игру вступают новые страны и начинается бурное развитие новых индустриальных отраслей (в том числе идет освоение нового источника энергии — электричества, которое впоследствии заменит паровой двигатель). К концу столетия на первый план особенно выдвигается Германия. В то время, как Англия в основном продолжает использовать преимущества своей текстильной промышленности и железнодорожной сети, Германия опережает Англию по таким важнейшим отраслям, как химическая технология и электротехника.

Механика, термодинамика, теплотехника. В XIX в. продолжается развитие всех направлений научной механики. С. Д. Пуассон (1781 — 1840), Р. Гамильтон (1805—1865), М. В. Остроградский (1801 — 1861), К. Г. Якоби (1804—1851) развивают новые методы аналитической механики.

Большое теоретическое и практическое значение имела проблема вращения тяжелого твердого тела вокруг неподвижной точки (так называемый гироскоп). Значительный вклад в ее математическое решение внесла С. В. Ковалевская (1850—1891); ее результаты продолжили другие ученые (А. М. Ляпунов, В. А. Стеклов, С. А. Чаплыгин). Проблему устойчивости равновесия и движения разрабатывали Э. Раус, Н. Е. Жуковский и другие. А. М. Ляпунов (1857—1918) сформулировал математически строгую задачу устойчивости движения и разработал общие методы ее решения.

Крупные результаты были получены в механике сплошной среды. В работах А. Навье, Дж. Стокса, Г. Кирхгофа, Г. Гельмгольца, Н. Е. Жуковского и других ученых разрабатываются аналитические методы гидромеханики. Они важны для решения многих прикладных задач техники. Помимо дальнейшего развития учения об идеальной жидкости механика XIX в. выходит к изучению реальных (вязких) жидкостей. В круг исследований входят вихревые явления, турбулентные течения, теплопередача и другие сложные феномены, характерные для сплошных сред.

Исключительное прикладное значение имели теоретические вопросы трения и смазки. Основы гидродинамической теории трения и смазки создал в 1880-е гг. русский инженер Н. П. Петров (1836—1920). Ее разрабатывали также О. Рейнольдс, Н. Е. Жуковский, С. А. Чаплыгин и другие ученые.

Революционный прорыв в теоретической физике, имевший огромное значение в том числе для научного обоснования и развития техники, был связан с выходом к середине XIX в. к понятию энергии и с формулировкой закона сохранения энергии. К этому результату в 1840-е гг. независимо друг от друга подходят сразу три исследователя: немецкий врач Ю. Майер, английский физик Дж. Джоуль и немецкий естествоиспытатель Г. Гельмгольц.

Лишь позже становится понятно, что речь идет о фундаментальном законе природы, и его безусловное признание наступает примерно с 1860 г.

Изучение тепловой энергии и тепловых процессов становится самостоятельным разделом физики — термодинамикой. Основополагающий вклад в развитие классической термодинамики внесли Р. Клаузиус и У. Томсон (второе начало термодинамики), Л. Больцман, Дж. Гиббс, Б. Клапейрон и другие ученые. С развитием термодинамики физика существенным образом обогатилась вероятностно-статистическими методами и представлениями.

Со стороны техники к возникновению и развитию термодинамики вело, прежде всего, распространение и совершенствование паровых машин. Внимание ученых все больше привлекали проблемы тепловых процессов, физических свойств паров и газов. Выдающиеся результаты по теории теплопроводности принадлежат Ж. Фурье («Аналитическая теория тепла», 1822), одновременно послужившие основой для его крупных достижений в математике. Среди исследователей, изучавших физику пара и газа, — Дж. Дальтон, П. Дюлонг, Б. Клапейрон, А. Пти, А. Реньо и другие.

Теоретический принцип работы парового двигателя установил французский физик и инженер С. Л. Карно (1796—1832). В 1824 г. он публикует книгу «Размышление о движущей силе огня и о машинах, способных развивать эту силу». В этой работе он вводит ряд основных понятий термодинамики (идеальная тепловая машина, идеальный термодинамический цикл и др.), а также самостоятельно выходит к закону сохранения энергии. Позже Б. Клапейрон изложил идеи С. Л. Карно в математическом виде и дал геометрическое изображение цикла Карно.

Сформулированная С. Л. Карно теорема («теорема Карно») устанавливает, что величина работы тепловой машины определяется разностью температур и не зависит от природы рабочего газа. В известном смысле теория Карно сыграла такую же роль для фундаментального объяснения принципа паровой машины, как «золотое правило механики» для классических «простых машин» античности.

Дальнейшее изучение работы тепловых машин связано с именами Г. Гириа, У. Ранкина, Н. Отто, Г. Цейнера, Р. Дизеля и других исследователей.

В последние десятилетия XIX в. принцип тепловой машины реализуется в новых видах техники. Появляются паровые турбины. Так называемую активную паровую турбину изобрел в 1883—1889 гг. шведский инженер К. Г. Лаваль. Английский изобретатель Ч. Парсонс сконструировал в 1884 г. реактивную многоступенчатую паровую турбину. На рубеже XIX—XX вв. возникают усовершенствованные турбины О. Рато и Ч. Кертиса.

Еще одним новым вариантом тепловой машины стал двигатель внутреннего сгорания. Его развитие шло постепенно: принцип сжатия и воспламенения горючей смеси и четырехтактного двигателя был выдвинут инженером А. Бо де Роша в 1862 г. Позже действующие конструкции такого двигателя создают Н. Отто (1876), Г. Даймлер и В. Майбах (1885), К. Бенц (1885); наконец, в 1897 г. Р. Дизель предлагает новый тип двигателя внутреннего сгорания, работающий на тяжелом жидком топливе (получивший его имя). Распространение двигателей внутреннего сгорания привело к мощному развитию техники во многих отраслях (транспорт, сельское хозяйство и др.).

Большой вклад в развитие теплотехники, конструирование новых видов паровых машин, исследование теплоэнергетических процессов внесла отечественная школа теплотехники, которая начала активно действовать в последние десятилетия XIX — начале XX в. (И. А. Вышнеградский, А. В. Гадолин, В. И. Гриневецкий, А. А. Радциг, В. Г. Шухов и другие).

Машиностроение, строительная механика, кораблестроение. Расширяющаяся механизация индустрии требовала все большего числа разнообразных машин и механизмов. В связи с этим огромное значение приобрела отдельная отрасль машиностроения. Она нуждалась в собственной научно-технической базе.

Быстрыми темпами росли машиностроительные предприятия, выпускавшие паровые машины, металлои деревообрабатывающие станки, текстильное оборудование и др. Существенную роль сыграл переход на новый уровень технической точности производственной продукции. Этому способствовало изобретение высокоточной измерительной машины для оценки обработки деталей, которое сделал в 1851 г. английский инженср Дж. Уитворт. Он предложил также систему стандартизации резьбы и калибров. К последним десятилетиям XIX в. инструменты Уитворта получили самое широкое применение. Помимо возросшей точности эти нововведения способствовали унификации выпускаемой техники и развитию методов массового производства.

Машиностроение постепенно оформляется как отдельная техническая дисциплина. В числе первых учебников по конструированию машин в XIX в. — работа Л. Л. Бетанкура и X. М. Ланца «Руководство к составлению машин» (1808; 1-е издание — 1819). Один из его авторов, А. А. Бетанкур, сделал много для развития строительства, транспорта, промышленности в России. Он был первым директором Института корпуса инженеров путей сообщения.

Следует отметить также вклад в развитие машиностроения ученых парижской Политехнической школы, в числе которых Ж. Ашетт, Л. Пуансо, С. Пуассон, М. Прони, Ж. Понселе. Например, С. Пуассон был не только крупным математиком и физиком, но и занимался прикладными вопросами машиностроения, применив в этой области аналитические методы. Ж. Понселе проводил исследования динамики машин, преподавал основы индустриальной механики, а в 1857 г. подготовил крупную работу «Отчет о машинах и инструментах, применяемых на производстве».

Общие методы изучения свойств машин и механизмов развивались в теории механизмов и машин. Эта теория выступала как научная база для конструирования специальных механизмов, преобразующих различные виды движений, выполняющих заданные движения и т. п.

Ряд основополагающих понятий данной теории был введен в таких работах, как «Принципы механизма» (Р. Уиллис, 1870) и «Теоретическая кинематика» (Ф. Рёло, 1875). В России фундаментальный вклад в становление этой теории сделал П. Л. Чебышев (1821 — 1894). Его результаты изложены в работах «Теория механизмов, известных под названием параллелограммов» (1853), «О параллелограммах» (1870) и др. Особенно важны его исследования по проблеме синтеза шарнирных механизмов. Помимо математико-механических методов исследования механизмов Чебышев создал множество конкретных механизмов весьма оригинального вида (кулисный механизм паровой машины, парадоксальный механизм, механизмы с остановками и др.).

К концу XIX — началу XX в. теорию механизмов разрабатывал целый ряд ученых. Назовем лишь несколько имен из числа отечественных авторов. П. О. Сомов (1852—1919) исследовал структуру и классификацию механизмов. В. Н. Лигин (1846—1900) работал над кинематикой систем и решением технических задач. Его ученик X. И. Гохман в «Кинематике машин» (1890) решал задачи классификации механизмов и другие важные проблемы. Н. Б. Делоне (1856—1931) в 1900 г. издал на немецком языке книгу «Работы Чебышева по теории шарнирных механизмов».

Значительный вклад в теорию механизмов и машин внес также крупный ученый и государственный деятель И. А. Вышнеградский (1831 — 1895). Занимаясь проблемой регулятора для паровых машин, он создал основы теории автоматического регулирования. В своих работах он вывел условия устойчивости системы регулирования, построил общую схему решения задач синтеза автоматических регуляторов методом последовательных приближений. Результаты Вышнеградского получили широкое применение в современной теории регулирования и в самых различных областях техники. И. А. Вышнеградский сам был выдающимся инженером-конструктором и стал основателем научной школы машиностроения.

В XIX в. продолжается формирование научных основ строительной механики. Здесь следует отметить деятельность французских ученых Г. Ламе (1795—1870) и Б. Клапейрона (1799—1864), которые определенное время проработали в России, в Институте корпуса инженеров путей сообщения. Они вели разностороннюю работу, в том числе изучали деформацию арок, разрабатывали вопросы теории упругости. В 1852 г. Ламе опубликовал книгу по теории упругости (частично на материале исследований, совместно проведенных с Клапейроном), которая считается одной из первых систематических работ в этой области.

Совершенствуется техника строительства гидросооружений. В качестве примера можно привести деятельность И. Ф. Герстнера и П. П. Базена.

И. Ф. Герстнер (1756—1832) — известный чешский математик и инженер. Был основателем и руководителем первой в Чехии высшей технической школы; с 1801 г. работал директором гидротехнических сооружений в Чехии; разработал теорию волн и метод расчета прочности плотин и дамб под действием волн.

П. П. Базен (1783—1838), по происхождению француз, в 1824—1834 гг. был директором Института корпуса инженеров путей сообщения. Спроектировал и построил ряд гидросооружений в Петербурге (шлюзы, Обводный канал и др.), разработал комплексный проект защиты Петербурга от наводнений. П. П. Базен занимался также проблемами водного транспорта и создал теорию движения паровых судов (1817).

С развитием водного транспорта и кораблестроения в XIX в. развивалась и теоретико-техническая поддержка этой отрасли. Основоположником научного кораблестроения в России стал замечательный русский ученый А. Н. Крылов (1863—1945). В 1894 г. он публикует «Новый метод вычислений элементов подводной части корабля», в котором вводит удобные приемы вычисления основных характеристик корабля. К 1895 г. А. Н. Крылов впервые в мире разрешил математические проблемы килевой качки (о чем он блестяще сделал доклад в Лондоне в 1896 г.). В последующих теоретических работах А. Н. Крылов фактически создает основы современной корабельной механики (включая вопросы качки, вибрации, непотопляемости и др.).

А. Н. Крылов внес также огромный практический вклад в разработку новых моделей судов, корабельных и артиллерийских приборов.

В 1894 г. в Петербурге было открыто уникальное научно-техническое учреждение — Опытовый бассейн. Идея его создания принадлежит Д. И. Менделееву. Оно было предназначено для инженерно-технических испытаний в области кораблестроения и стало местом разработки многих моделей отечественных судов и подводных лодок. В начале XX в. (1900— 1908) его директором был А. Н. Крылов. (Позже Опытовый бассейн получил название ЦНИИ им. акад. А. Н. Крылова.).

Электричество и электромагнетизм. Одной из магистральных линий развития технологии XIX в. было освоение электричества. Физика и техника электричества проделала за это столетие стремительный путь. В 1800 г. А. Вольта изобретает химический источник постоянного тока. В 1820-е гг. X. Эрстед обнаруживает магнитное действие тока, что становится отправной точкой для дальнейшего понимания единства электрических и магнитных явлений; А. Ампер открывает закон механического взаимодействия токов; Г. Ом формулирует основной закон электрической цепи. В 1831 г. М. Фарадей открывает электромагнитную индукцию — явление, фактически давшее начало всей электротехнике. В 1840-е гг. Г. Кирхгоф, Г. Гельмгольц, У. Томсон закладывают основы математического описания процессов в электрических цепях.

Но, по-видимому, основной серией научных событий, ведущих фундаментальному пониманию мира электромагнитных явлений, можно считать ту, которая была связана с деятельностью М. Фарадея и Дж. Максвелла. Начиная с работ 1830-х гг., Фарадей обнаруживает химическое действие тока, устанавливает связь между электричеством, магнетизмом и светом, выдвигает концепцию электромагнитного поля как особой реальности. К 1869 г. Дж. Максвелл придает математическую форму идеям о электромагнитном поле (уравнения Максвелла). Более того, он высказывает гениальную гипотезу о волновой природе процессов в электромагнитном иоле. Наконец, в 1886 г. Г. Герц экспериментально подтвердил существование электромагнитных волн (а также показал единую природу электромагнитных и световых волн).

По мере улучшения знаний о свойствах электричества развивалось и его техническое применение. Важное место заняла проблема взаимного преобразования электрической и механической энергии в технических системах. Б. С. Якоби в 1834 г. конструирует электродвигатель и в 1838 г. испытывает его в качестве судового двигателя. Во второй половине столетия изобретают первые электрические генераторы, или динамо-машины (А. Пачинотти, 1860; 3. Грамм, 1869). Отечественный физик Э. X. Ленц (1804—1865) открыл принцип обратимости электрических машин («генератор/двигатель»), чрезвычайно важный для разработок в области электротехники.

Принципиальной проблемой в освоении электричества была задача передачи электроэнергии на расстояние по проводам. Этой проблемой занимались многие ученые; необходимые теоретические расчеты выполнили независимо отечественный физик Д. А. Лачинов и французский ученый М. Депре (1880). В 1882 г. М. Депре строит первую линию электропередачи постоянного тока. Но решающее достижение в решении этой проблемы принадлежит русскому инженеру М. О. Доливо-Добровольскому (1861 — 1919), который изобрел систему трехфазного переменного тока (1888). Она и стала основой для индустриального использования электроэнергии.

С 1890-х гг. начинаются систематическое производство и передача электроэнергии, а также широкое распространение электрических машин в индустрии (металлургия, горнодобывающая промышленность, химическис отрасли и др. Электричество становится неотъемлемой частью производственной системы общества.

На протяжении XIX в. неуклонно реализуется также идея передачи информации с помощью электромагнитных явлений. Эту идею высказал еще в 1820 г. А. Ампер, который позже создал электромагнитный телеграф (1829). В 1832 г. телеграф изобрел также отечественный ученый П. Л. Шиллинг, затем С. Морзе — телеграфный аппарат и код (1837); к 1873 г. усовершенствованный телеграф сконструировал Т. Эдисон. Точно так же длительно развивалась идея телефонной связи; одним из изобретателей телефона считается А. Белл (патент 1876 г.).

Изобретение радио (А. С. Попов, 1895; Г. Маркони, 1895—1897) положило начало эпохе беспроволочной связи и новой технической отрасли — радиотехнике, которая начала бурное развитие в XX в.

Таким образом, освоение электроэнергии в XIX в. явилось следующим (после освоения энергии пара в XVIII в.) революционным изменением в фундаментальной энерготехнологии общества.

Действительно, электроэнергия имеет ряд совершенно уникальных характеристик. В отличие от энерготехнологий, основанных на горении потребляемого сырья (угля, нефти и т.и.), электричество может производиться на основе постоянных природных процессов (из энергии воды, ветра и др.). Электричество занимает центральное место в энергетике как «связующее звено» между разными видами энергии (тепловой, химической, механической и др.). Это позволяет использовать его с универсальными целями (для выработки тепла, освещения, совершения механической работы, передачи информации и др.). Оно удобно в дозировании — от высоких до малых энергий. Оно представляет собой незаменимый по своему удобству источник бытового использования: может доставляться по электропроводам, в миниатюрных автономных источниках и др.

Все это со временем привело к беспрецедентной модернизации технической деятельности и повседневной жизни.