100 великих изобретений: читать книгу онлайн полностью и бесплатно

Наблюдение с помощью лупы происходит следующим образом. Предмет AB помещается от стекла на расстоянии OC, меньшим фокусного расстояния Of, тогда глазу, находящемуся в точке пересечения лучей F, покажется, будто лучи исходят из точки пересечения A1B1 продолженных лучей, так что получается мнимое, прямое увеличенное изображение A1B1 предмета AB. Для того чтобы изображение это было совершенно отчетливо, необходимо, чтобы расстояние C1F было равно расстоянию наилучшего зрения наблюдателя. Увеличением лупы будет считаться отношение A1B1 к AB или OC1 к OC.

Более совершенным инструментом для наблюдения микроскопических предметов является простой микроскоп. Когда появились эти приборы, в точности неизвестно. В самом начале XVII века несколько таких микроскопов изготовил очковый мастер Захария Янсен из Миддельбурга. В сочинении А. Кирхера, вышедшем в 1646 году, содержится описание простейшего микроскопа, названного им «блошиным стеклом». Он состоял из лупы, вделанной в медную основу, на которой укрепляли предметный столик, служивший для помещения рассматриваемого объекта; внизу находилось плоское или вогнутое зеркало, отражающее солнечные лучи на предмет и таким образом освещающее его снизу. Лупу передвигали посредством винта к предметному столику, пока изображение не становилось отчетливым и ясным.

Первые выдающиеся открытия были сделаны как раз с помощью простого микроскопа. В середине XVII века блестящих успехов добился голландский естествоиспытатель Антони ван Левенгук. В течение многих лет Левенгук совершенствовался в изготовлении крохотных (иногда меньше 1 мм в диаметре) двояковыпуклых линзочек, которые он изготавливал из маленького стеклянного шарика, в свою очередь получавшегося в результате расплавления стеклянной палочки в пламени. Затем этот стеклянный шарик подвергался шлифовке на примитивном шлифовальном станке. На протяжении своей жизни Левенгук изготовил не менее 400 подобных микроскопов. Один из них, хранящийся в университетском музее в Утрехте, дает более чем 300-кратное увеличение, что для XVII века было огромным успехом.

Без определенного плана Левенгук исследовал все, что попадалось под руку, и, подобно Галилею в космосе, делал одно великое открытие за другим. Впервые применив микроскоп в зоологических исследованиях, он был подлинным первооткрывателем микромира. Так, Левенгук первым наблюдал движение крови в кровеносных сосудах и открыл красные кровяные тельца; он обнаружил, что глаз у насекомых устроен совершенно не так, как у человека, и имеет фасеточное строение; он открыл поперечную полосатость мышц, трубочки зубного вещества, волокна хрусталика, чешуйки кожи и многое другое. Еще более важное значение имело то, что Левенгук обнаружил огромный мир микроорганизмов, о существовании которых до этого даже не подозревали. Он описал почкование гидр и множество форм инфузорий. Наконец он обнаружил сперматозоиды в семенной жидкости человека и животных и показал, что развитие крупных организмов тоже начинается с микроскопических размеров.

В начале XVII века появились сложные микроскопы, составленные из двух линз. Изобретатель такого сложного микроскопа точно не известен, но многие факты говорят за то, что им был голландец Корнелий Дребель, живший в Лондоне и находившийся на службе у английского короля Иакова I. В сложном микроскопе было два стекла: одно — объектив — обращенное к предмету, другое — окуляр — обращенное к глазу наблюдателя. В первых микроскопах объективом служило двояковыпуклое стекло, дававшее действительное, увеличенное, но обратное изображение. Это изображение и рассматривалось при помощи окуляра, который играл таким образом роль лупы, но только лупа эта служила для увеличения не самого предмета, а его изображения.

Предмет AB, расположенный от объектива немного дальше его главного фокуса F, давал на другую сторону действительное, обратное и увеличенное изображение ab, лежавшее за двойным фокусным расстоянием. Стекла M и N находятся между собой в таком удалении, что изображение ab приходится между окуляром N и его главным фокусом F1. Отсюда следует, что глаз, помещенный на E, видит изображение через окуляр, который действует как лупа и заменяет изображение ab другим — a1b1, мнимым и еще более увеличенным. Это второе изображение прямое по отношению к первому, но обратное по отношению к предмету.

Кроме этой схемы микроскопа возможны и другие. Между прочим, создатель телескопа Галилей в 1610 году обнаружил, что в сильно раздвинутом состоянии его зрительная труба позволяет сильно увеличить мелкие предметы. Его можно считать изобретателем микроскопа, состоящего из положительной и отрицательной линз. В 1663 году микроскоп Дребеля был усовершенствован английским физиком Робертом Гуком, который ввел в него третью линзу, получившую название коллектива. Этот тип микроскопа приобрел большую популярность, и большинство микроскопов конца XVII — первой половины XVIII века строились по его схеме.

29. ПРЯДИЛЬНАЯ МАШИНА

Восемнадцатый и девятнадцатый века ознаменовались невиданным прежде техническим подъемом. В продолжение полутораста лет было сделано множество блестящих изобретений, созданы новые виды двигателей, освоены новые средства связи и транспорта, придуманы самые разнообразные станки и машины. В большинстве отраслей производства ручной труд был почти полностью вытеснен машинным. Скорость, качество обработки и производительность труда выросли в несколько десятков раз. В развитых европейских странах появились тысячи крупных промышленных предприятий, сложились новые общественные классы — буржуазия и пролетариат. Промышленный подъем сопровождался крупнейшими социальными сдвигами. В результате Европа, да и весь мир, к концу XIX века неузнаваемо изменилась; жизнь людей уже совсем не походила на ту, что была в начале XVIII столетия. Быть может, впервые в истории технический переворот так зримо и явственно сказался на всех сторонах человеческой жизни.

Между тем начало этой великой машинной революции связано с созданием прядильного автоматического станка — самой первой машины, получившей широкое распространение в производстве. Можно сказать, что прядильная машина оказалась прообразом всех последующих станков и механизмов, и поэтому изобретение ее по своему значению далеко выходило за узкие рамки текстильного и прядильного дела. В каком-то смысле ее появление символизировало собой рождение современного мира.

Прядение в том виде, в каком оно было описано выше, — с помощью ручного веретена и прялки — существовало на протяжении нескольких тысячелетий и оставалось во все это время достаточно сложным и трудоемким занятием. Рука прядильщицы при совершении однообразных движений по вытягиванию, скручиванию и наматыванию нити быстро уставала, производительность труда была низкой. Поэтому значительный шаг в развитии прядения произошел с изобретением ручной прялки, которая появилась впервые в Древнем Риме.

В этом незамысловатом приспособлении колесо a при своем вращении приводило во вращение при помощи бесконечного шнура колесо меньших размеров d, на ось которого было надето веретено b. Процесс прядения на ручной прялке заключался в следующем: правая рука при помощи ручки приводила во вращение большое колесо a, в то время как левая, вытянув прядь из пучка волокон, направляла нить либо наклонно к веретену (тогда она ссучивалась и закручивалась), либо под прямым углом (тогда она сама собой, будучи готова, наматывалась на веретено).

Следующим крупным событием в истории прядения стало появление самопрялки (около 1530 г.), изобретателем которой называют каменотеса Юргенса из Брауншвейга. Его прялка приводилась в движение ногами и освобождала для работы обе руки работницы.

Работа на самопрялке проходила следующим образом. Веретено 1 было соединено наглухо с рогулькой 2 и получало движение от нижнего большого колеса 4. Последнее было соединено с блоком, неподвижно укрепленным на веретене. Катушка 3, на одном конце которой был укреплен блок меньшего диаметра, свободно надевалась на веретено. Оба блока получали движение от одного и того же колеса 4, но веретено и рогулька, соединенные с большим блоком, вращались медленнее, чем катушка, соединенная с меньшим блоком. Вследствие того, что катушка вращалась быстрее, происходило наматывание на нее нити, причем скорость наматывающейся нити была равна разности скоростей веретена и катушки. Прядильщица вытягивала рукой волокна из пряслицы и частично закручивала их пальцами. Нить до вступления в рогульку двигалась по оси веретена. При этом она вращалась, то есть закручивалась, и делала полностью то же число оборотов, что и веретено. Пройдя через рогульку 2, нить меняла направление и шла на катушку уже под прямым углом к оси веретена. Таким образом, по сравнению с обычной прялкой, самопрялка позволяла одновременно вытягивать, скручивать и наматывать нить. Из процесса прядения здесь уже были механизированы две операции: скручивание нити и наматывание ее на катушку, но вытяжка волокон из пряслицы и частичное закручивание их происходили вручную. Это сильно замедляло всю работу. Между тем в первой трети XVIII века был создан усовершенствованный ткацкий станок Кея, позволявший заметно повысить скорость тканья. На новом станке проворный ткач был в состоянии выткать столько пряжи, сколько поставляли шесть опытных прядильщиков. В результате возникла диспропорция между прядением и ткачеством. Ткачи стали ощущать нехватку пряжи, так как прядильщицы не успевали приготовлять ее в нужном количестве. Пряжа не только сильно вздорожала, но часто ее вообще нельзя было достать ни за какую цену. А рынки требовали все большего количества тканей.

Несколько поколений механиков тщетно ломали голову над тем, как усовершенствовать прялку. На протяжении XVII и первой половины XVIII веков было сделано несколько попыток снабдить самопрялку двумя веретенами, чтобы повысить ее эффективность. Но работать на такой прялке было слишком тяжело, поэтому идея эта не получила распространения. Было ясно, что прясть сразу на нескольких веретенах можно будет лишь тогда, когда будет механизирована сама операция вытягивания волокон.

Эта сложная задача была отчасти разрешена английским механиком Джоном Уайтом, который придумал в 1735 году специальный вытяжной прибор. По словам Маркса, именно эта часть машины определила начало промышленной революции. Не имея средств, Уайт продал права на свое замечательное изобретение предпринимателю Льюису Паулю, который в 1738 году взял на него патент. В машине Пауля и Уайта человеческие пальцы впервые были заменены парой «вытяжных» валиков, вращающихся с разной скоростью. Один валик имел гладкую поверхность, а другой был шероховатый с рифленой поверхностью или обит паклей. Однако прежде чем поступить на валики машины, волокна хлопка должны были пройти предварительную обработку — их необходимо было уложить параллельно друг другу и вытянуть. (Это называлось «расчесыванием» хлопка, или кардованием.)

Пауль и Уайт постарались механизировать этот процесс и создали специальную чесальную машину. Принцип ее действия заключался в следующем. Цилиндр, снабженный по всей поверхности крючками, вращался в желобе, который на своей внутренней стороне был снабжен зубьями. Волокна хлопка пропускались между цилиндром и желобом и таким образом расчесывались.

После этого пряжа в виде тонкой ленты подавалась в прядильную машину и здесь сначала вытягивалась в вытяжных валиках, а потом поступала на веретено, вращавшееся быстрее валиков, и закручивалась в нить. Первая такая прялка была построена Паулем в 1741 году. Это была первая в истории прядильная машина.

Усовершенствуя свою машину, Пауль и Уайт стали пропускать пряжу через несколько валиков. Вращаясь с разной скоростью, они вытягивали ее в более тонкую нитку. С последней пары валиков нитка поступала на веретено. В 1742 году Уайт соорудил машину, которая пряла сразу на 50 веретенах и приводилась в движение двумя ослами. Как показали дальнейшие события, придуманные им вытяжные валики оказались чрезвычайно удачным нововведением. Но вообще его машина не получила широкого распространения. Она была слишком дорогим и громоздким устройством для ремесленника-одиночки. Острая нехватка пряжи продолжала ощущаться и в последующие годы. Эта проблема была отчасти решена только после создания прядильной машины Харгривса.

Харгривс был ткач. Пряжу для него изготовляла жена, и того, что она успевала напрясть за день, было для него недостаточно. Поэтому он много думал над тем, каким образом можно было бы ускорить работу прядильщиц. Случай пришел ему на помощь. Однажды дочь Харгривса, Дженни, нечаянно опрокинула прялку, однако колесо ее продолжало вертеться, а веретено продолжало прясть пряжу, хотя находилось в вертикальном, а не горизонтальном положении. Харгривс немедленно использовал это наблюдение и построил в 1764 году машину с восемью вертикальными веретенами и одним колесом. Машину он назвал «Дженни» по имени своей дочери. Она не принесла своему создателю ни денег, ни счастья. Напротив, изобретение Харгривса вызвало бурю негодования у прядильщиков — они предвидели, что машина лишит их работы. Ватага возбужденных людей ворвалась однажды в дом Харгривса и разрушила машину. Сам изобретатель и его жена едва успели избежать расправы. Но это, конечно, не могло остановить распространения машинного прядения — буквально через несколько лет «Дженни» пользовались тысячи мастеров.

Как и машина Уайта, «Дженни» требовала предварительной подготовки хлопковых волокон. Выделка нити происходила здесь из ленточки расчесанного хлопка. Початки с ровницей были помещены на наклонной раме (наклон служил для облегчения сматывания ровницы). Вместо вытяжных валиков Уайта Харгривс применил особый пресс, состоявший из двух брусков дерева. Нитки ровницы с початков проходили через вытяжной пресс и прикреплялись к веретенам. Веретена, на которые наматывалась готовая нить, находились на неподвижной раме с левой стороны станка. В нижней части каждого веретена имелся блок, вокруг которого шел приводной шнур, переброшенный через барабан. Этот барабан расположен был впереди всех блоков и веретен и приводился в движение от большого колеса, вращаемого рукой. Таким образом, большое колесо приводило во вращение все веретена.

Прядильщик одной рукой двигал каретку вытяжного пресса, а другой вращал колесо, приводившее в движение веретена. Работа машины состояла из следующих процессов: пресс закрывался и отводился назад от веретен — в результате происходило вытягивание нити. Одновременно прядильщик вращал колесо, оно приводило в движение веретена, а они закручивали нить. В конце отхода каретка останавливалась, а веретена продолжали вращаться, производя докрутку. После этого каретка подавалась обратно к веретенам, все нити несколько пригибались особой проволокой для того, чтобы они попали в положение наматывания. Во время обратного хода каретки с открытым прессом нити наматывались на веретена вследствие вращения последних.

Вытяжной пресс Харгривса, по существу, заменил руку рабочего. Вся работа свелась в основном к трем движениям: к вращению приводного колеса, к прямолинейному движению каретки взад и вперед и к нагибанию проволоки. Другими словами, человек играл только роль двигательной силы, и поэтому в дальнейшем стало возможным заменить рабочего другими, более постоянными и мощными источниками энергии. Замечательное значение изобретения Харгривса заключалось в том, что оно сделало возможным обслуживание нескольких веретен одним рабочим. В самой первой его машине было всего восемь веретен. Затем он увеличил их количество до 16. Но еще при жизни Харгривса появились машины «Дженни» с 80 веретенами. Эти машины уже не под силу было приводить в действие рабочему, и их стали соединять с водяным двигателем. Благодаря простоте конструкции и дешевизне, а также возможности использовать ручной привод «Дженни» получила широчайшее распространение. К 90-м годам XVIII века в Англии насчитывалось уже более 20 тысяч самопрялок «Дженни». В большинстве своем они принадлежали ткачам-одиночкам. Самые небольшие из них выполняли работу шести или восьми рабочих. Это была первая в истории машина, получившая массовое распространение.

Машина Харгривса отчасти помогла преодолеть прядильный голод и способствовала мощному подъему производства в Англии, однако это было все-таки не совсем то, что требовалось. Вытяжное приспособление «Дженни» оказалось несовершенным. Из-за недостаточной вытяжки пряжа получалась хоть тонкая, но слабая. Для большей прочности полотна ткачам приходилось добавлять в пряжу льняную нитку.

Более удачная машина была создана вскоре Аркрайтом. Она представляла собой соединение вытяжного механизма Уайта с крутильно-наматывающим аппаратом самопрялки Юргенса. По профессии Аркрайт был цирюльником в городе Болтоне в Англии. Большинство его клиентов были мелкие прядильщики и ткачи. Однажды Аркрайт стал свидетелем разговора ткачей, говоривших о том, что полотно ткется из нитей льна вперемежку с нитями хлопка, так как машина Харгривса не в состоянии поставлять много пряжи и нитки ее не обладают достаточной прочностью. Вскоре после этого Аркрайт раздобыл себе машину «Дженни», изучил ее и пришел к убеждению, что сможет построить другую, которая будет прясть скорее и тоньше. Он взялся за дело, и действительно, ему удалось построить прялку, которая совершенно автоматически исполняла все процессы. Прядильщику приходилось лишь следить за тем, чтобы в машину поступало достаточно материала, и соединять порвавшиеся нити.

Работа на машине Аркрайта происходила следующим образом Приводное колесо приводило во вращение веретена с рогульками. Предварительно приготовленная из хлопка ровница находилась на початках, которые помещались на горизонтальном валу в верхней части станка. Ровничная ленточка хлопковых волокон поступала в находящиеся перед початками вытяжные валики. В каждой паре нижний валик был деревянный, рифленый, а верхний — обтянут кожей. Каждая последующая пара валиков вращалась быстрее, чем предыдущая. Верхние валики прижимались грузами к нижним. Вытянутая нить выходила из последней пары валиков, проходила через крючки рогульки и наматывалась на веретено. Для того чтобы получить отставание сидящих на веретенах катушек от рогулек, катушки несколько задерживались шнуром, проходившем через желобки шкивов в нижней части каждой катушки. В результате получались нити такой крепости, что отныне можно было делать ткани из чистого хлопка, без примеси льна. В описываемой машине был полностью осуществлен принцип непрерывности работы, поэтому ее стали называть ватермашиной.

Аркрайт оказался не только удачливым изобретателем, но и ловким дельцом. В сообществе с двумя коммерсантами он построил свою прядильную фабрику, а в 1771 году открыл вторую фабрику в Кромфорде, где все машины приводились в движение водяным колесом. Вскоре фабрика разрослась до размеров крупного предприятия. В 1779 году на ней было несколько тысяч веретен и работало 300 рабочих. Не останавливаясь на этом, Аркрайт основал еще несколько фабрик в разных концах Англии. В 1782 году на него работало уже 5000 рабочих, а его капитал оценивался в 200 тысяч фунтов стерлингов.

Аркрайт продолжал работать над созданием новых машин, которые позволили бы механизировать весь процесс обработки пряжи. В 1775 году он получил патент сразу на несколько вспомогательных механизмов. Главными из них были: кардная машина, подвижной гребень, ровничная машина и питающий прибор. Кардная машина состояла из трех барабанов и служила для расчесывания хлопка. (Это была усовершенствованная машина Уайта.) Подвижный гребень использовался как дополнение к кардной машине — им снимали прочесанный хлопок с барабанов. Ровничная машина превращала расчесанный хлопок в цилиндрическую ровницу, готовую для переработки на прядильной машине. Питающий прибор представлял собой подвижное полотно, которое доставляло кардной машине хлопок для обработки.

В последующие годы слава Аркрайта была омрачена обвинениями в воровстве чужих изобретений. Целый ряд судебных процессов показал, что все запатентованные им машины не были в действительности изобретены им. Так, оказалось, что прядильную ватермашину изобрел часовщик Джон Кэй, кардную машину — Даниэль Борн, питающий прибор — Джон Лис. В 1785 году все патенты Аркрайта были аннулированы, но к этому времени он уже стал одним из самых богатых английских фабрикантов.

Последнюю точку в создании универсальной прядильной машины поставил ткач Самуэль Кромптон, который создал так называемую мюль-машину. В ней были соединены принципы работы «Дженни» и ватермашины Аркрайта. Вместо пресса Харгривса Кромптон применил вытяжные валики. Кроме того, введена была каретка, двигавшаяся взад и вперед. На каретке помещались веретена. Когда каретка с веретенами отходила от валиков, веретена еще сильнее вытягивали и скручивали нитку. Когда каретка приближалась к валикам, нитка закручивалась и наматывалась на веретено. Тогда как ватермашина делала крепкую, но грубую пряжу, а «Дженни» — тонкую, но некрепкую, мюль-машина Кромптона давала крепкую и вместе с тем тонкую пряжу.