Возникновение взаимосвязи между наукой и производством

Возникновение экспериментальной науки дало возможность уже зачинателям этого научного направления предвидеть практические приложения данных науки к производству. Роджер Бэкон (1214-1294) за шесть с половиной столетий предсказал такие практические применения данных науки, как пароходы, автомобили, самолеты, телескопы и микроскопы, причем в своих прогнозах он прямо говорит о машинах, приводящих в движение исполнительные механизмы (см. стр. 98).

Петр Перегрин упорно пытался соорудить самодвижущуюся повозку, движимую "силой магнитов". Леонардо да Винчи (1452-1519) анализирует данные технической практики и делает попытку обогащения техники разработкой летательного аппарата, приводимого в движение мышцами ног авиатора.

Теплоэнергетика своим возникновением обязана как новым потребностям, вызванным кризисом энергетики водяного колеса, уже неспособного удовлетворять запросы растущего производства, так и возможностям, представленным наукой в распоряжение искателей новой "движущей силы".

Эти искания направлялись по трем путям в соответствии с тремя открытиями физиков.

Открытие атмосферного давления итальянцем Э. Торричелли (1608-1647) направило поиски энергетиков XVII в. на использование "великой силы" атмосферного давления, имеющейся к тому же в любой точке земного шара. Действительно, по сравнению с давлениями в граммы или десятки граммов на квадратный сантиметр ветровых или водяных крыльев, атмосфера давила с силой 1000 Г на 1 см². Но давление атмосферного воздуха - не энергия. Более того, для проявления этой энергии необходимо было затрачивать энергию на создание вакуума.

Ученые-физики ищут способы получения вакуума и работают над конструкцией вакуумных насосов. Отто Герике (1602-1686), Роберт Бойль (1627-1691), Дени Папен (1647-1714), Христиан Гюйгенс (1629-1695) принимают непосредственное участие в разработке вакуумного насоса и его деталей (см. стр. 117). Известные эффектные опыты Герике с магдебургскими полушариями укрепили веру искателей новой энергии в "громадную силу" атмосферы, и они упорно ищут методов наиболее эффективного получения вакуума как средства "заставить атмосферу работать".

Итальянский физик Д. Порта (1558-1615) и француз де К о исследуют, как и Папен, свойства водяного пара и находят, что он также в состоянии развивать "страшную силу", разрывающую толстостенные медные сосуды и даже пушечные стволы. В их же опытах найден секрет получения глубокого вакуума путем конденсации водяного пара в замкнутом сосуде при охлаждении стенок сосуда струей холодной воды.

Так, исследования физиков XVII в. открывали пути новой энергетике, указав для нее и рабочее тело - водяной пар - и основы превращения теплоты в работу, позднее выразившиеся в формулировках второго закона термодинамики. Огонь (горячий источник) - пар приобретает "упругую силу", способную рвать прочные сосуды; вода (холодный источник) - пар конденсируется и образуется вакуум, позволяющий использовать разность давлений внутри рабочего сосуда и снаружи для получения механической работы.

Таким образом, открытия физиков совершенно однозначно определили ранние формы теплоэнергетики: пароатмосферный поршневой двигатель.

Были изучены упругие свойства газов Р. Бойлем и Э. Мариоттом (1620-1684), а также зависимость удельных объемов газов от давления. Самыми простыми методами один из основателей Шведской Академии наук Мортен Тривальд в 1734 г. качественно исследует зависимость упругости воздуха от температуры, помещая завязанный бычий пузырь с воздухом то на снег, то у пламени камина. Он же, руководствуясь ошибочными данными: будто бы при кипячении воды из нее выделяется "в неисчислимом количестве" не пар, а воздух, растворенный в ней,- строит в Швеции на Даннеморском руднике самую крупную в Европе того времени пароатмосферную машину. Из-за недостатка пара она работала неудовлетворительно, и поэтому ее разобрали.

Технические науки возникли ранее всего в области горнорудной промышленности, потребовавшей труда крупных коллективов и применения машин. Используя данные физики и химии и производственный опыт, некоторые ученые издают фундаментальные труды по технике горнорудного производства.

В 1724 и 1735 гг. в Лейпциге был издан трехтомный фундаментальный труд Якоба Леупольда. Первый том был посвящен общему обзору машин и основам практической механики, второй - гидравлическим установкам и третий - мельницам. В трудах Леупольда впервые был опубликован обзор пароатмосферных машин, а сам автор впервые предложил применять пар избыточного давления.

В 1737 г. в Париже вышел в свет большой двухтомный труд Бернара Форреста де Белидора "Гидравлическая архитектура", в котором также описывались первые пароатмосферные машины.

Первой обобщающей горнорудную практику работой, опирающейся на известные в то время научные данные по механике, была "Де ре металлика" - книга немецкого ученого Бауэра (1494-1555), писавшего под латинским псевдонимом Агрикола.

Потребность связи науки с техникой, возникшая прежде всего в горнорудном деле, нашла свое отражение и в трудах отечественных ученых.

И. А. Шлаттер издал в С.-Петербурге в 1760 г. свое "Обстоятельное наставление рудному делу, состоящее из четырех частей, в которых описаны рудокопные места, жилы и способы для прииску оных, так учреждение новых рудников, потребные к рудному произведению машины, и разобрание, толчение и промывание руд, с прибавлением о добывании каменного уголья". В пространном названии своей книги Шлаттер забыл упомянуть заимствованное из труда Белидора описание пароатмосферной машины Ньюкомена.

М. В. Ломоносов, всегда стремившийся к тесной связи науки и практики, издал в С.-Петербурге в 1763 г. "Первые основания металлургии или рудных дел". В эту книгу автор включил данные своих исследований по вопросам вентиляционной тяги, упругой силы воздуха и др.

Автор первого в мире проекта универсального двигателя и первой построенной в России паровой машины И. И. Ползунов предпосылает расчетам своей машины теоретические данные, полученные и обработанные им на основе трудов Ломоносова, Шлаттера, Леупольда и Белидора. Это обстоятельство может послужить примером начавшейся связи науки с производством.

Другая форма связи науки с производством в рассматриваемый период - непосредственное участие ученых-физиков в изобретении технических объектов.

Венгерский физик Янош Андраш Сегнер (1704-1777), построив физический прибор, известный под названим Сегнерова колеса, разрабатывал на его основе практическую конструкцию реактивной гидравлической турбины, пригодную для привода мельничных жерновов.

Леонард Эйлер (1707-1783) в 1754 г. на третьем докладе в Берлинской академии на тему "Наиболее полная теория машин, которые приводятся в движение реактивным действием воды" описал теорию реактивного двигателя и одновременно дополнил конструкцию двигателя обязательным для всех современных гидравлических турбин направляющим аппаратом.

Уделял внимание конструктивным формам водяных колес и французский физик Ж. В. Понселе (1788-1868), нашедший на основе теории наилучшие направления входных кромок лопаток водяных колес.

Не меньшее внимание обращали ученые на развитие тепловых машин. Энгельс упомянул среди участников "действительно интернационального изобретения" двух ученых - Д. Папена и Г. В. Лейбница (1646-1716). Известно, что тепловой двигатель пытались соорудить голландский физик Христиан Гюйгенс (1629-1695) и шведский академик Тривальд, французский физик Жан Теофиль Дезагюлье предложил в 1712 г. заменить молоэффективное наружное охлаждение рабочих цилиндров впрыскиванием холодной воды внутрь. Интересно отметить, что первая в России паровая установка для подъема воды к фонтанам Летнего сада в С.-Петербурге была построена по проекту физика Дезагюлье, читавшего одно время в Лондоне курс экспериментальной физики.

На основе изложенных фактов может создаться представление, что уже в XVII в. физика и техника были тесно связаны.

Однако это далеко не так. Количество трудов физиков, непосредственно направленных на решение технических задач, было совершенно незначительно. Существовал разрыв между теорией и практикой даже в случае непосредственного участия ученых-физиков в решении технических проблем. В чем выражался этот разрыв? Прежде всего в том, что, как правило, изыскания ученых в области практического применения законов физики к решению производственных задач оказались малоуспешными. С другой стороны, все основные достижения в сооружении технических объектов были осуществлены и применены на практике работниками производства: мастерами, техниками, рабочими.

Вот ряд примеров из области становления в XVII в. новой энергетики в форме ранних паровых двигателей.

Д. Папен еще в 1680 г. впервые совершенно правильно описал термодинамический цикл парового двигателя, а Гюйгенс - двигателя внутреннего сгорания. Но попытки Д. Папена построить как паровой, так и пороховой двигатель были неудачны. В то же время не имевший ученых степеней капитан Т. Севери построил и внедрил в эксплуатацию первый практически работавший паровой насос, а кузнечный мастер Ньюкомен с водопроводчиком Коули сконструировали паровой двигатель, работавший на производстве около 100 лет.

Машина шведского академика Тривальда оказалась совершенно неудачной, хотя он проектировал ее исходя из данных современной физики. Машины практиков Смитона, Ползунова, Поттера и других оказались работоспособными.

И. И. Ползунов отказался от основанного на научных данных первой половины XVII в. предложения Шлаттера и, учитывая производственный опыт, нашел значительно более прогрессивное решение.

Научный анализ приведенных случаев показывает, что техники того времени уже ощущали потребность в научных данных, обращались за ними к ученым, стимулировали их деятельность в техническом направлении, использовали данные науки. Но, поскольку эти данные были неполными и неточными, их применение было наилучшим критерием оценки качества научных познаний. Практика либо отвергала неточные данные, либо корректировала их.

Вот пример подобного соотношения сил в науке и технике того времени. Тривальд полагал, что 1 см³ воды при испарении увеличит свой объем в 15000 раз, исходя из того, что в воде растворен воздух в "неисчислимом количестве". Поэтому, проектируя свой пароатмосферный двигатель, он совершенно отвергал какую-либо зависимость размеров котла-парогенератора от размеров машины - потребителя пара. В своей книге "Краткое описание огненной и воздушной машины Даннеморского рудника", изданной в 1734 г., Тривальд высмеивал практиков Ньюкомена и Коули, утверждавших, что для большой машины нужно строить соответственно большой котел. Эти практики, как и несколько позднее Ползунов, на опыте имели представление о "парах из воды восстающих", а Тривальд в приведенной выше книге даже не упоминает о паре: его машина - воздушная машина, а не паровая.

Таким образом, первая причина успехов практиков в том, что практика, этот критерий познания, позволяла корректировать данные,заимствованные из научных трудов своего времени.

Вторая причина успеха практиков в том, что они, в отличие от физиков, владели техническими приемами и средствами воплощения своих идей в реальных конструктивных формах. Не случайно кузнец Ньюкомен работал вместе с водопроводчиком Коули. Без него он не справился бы с задачей построения паросиловой установки, оснащенной десятками различных труб.

В этот период наиболее плодотворным было бы совместное техническое творчество ученого-физика с техником-практиком. Содружества такого типа возникли несколько позднее и будут освещены в главе, относящейся к периоду первой научно-технической революции.