Михаил Стародумов
Кто придумал велосипед, или Самые популярные изобретения из прошлых веков, которые актуальны и сегодня
Голография
Голография – набор технологий для точной записи, воспроизведения и переформирования волновых полей оптического электромагнитного излучения, особый фотографический метод, при котором с помощью лазера регистрируются, а затем восстанавливаются изображения трехмерных объектов, в высшей степени похожие на реальные. Метод регистрации изображения, основанный на интерференции световых волн.
Данный метод был предложен в 1947 году английским физиком (венгерского происхождения) Денешем Габором (1900–1979), он же ввёл термин «голограмма» и получил «за изобретение и развитие голографического принципа» Нобелевскую премию по физике в 1971 году.
Рассеянные объектом волны характеризуются амплитудой, фазой и направлением. В обычной фотографии регистрируется только амплитуда световых волн, и её распределение в пределах двумерного светоприёмника. Для этого используется объектив, строящий действительное изображение объекта записи. Полученное плоское изображение может создавать только иллюзию объёма за счёт перспективы, светотени и перекрытия объектами друг друга. Стереофотография позволяет с помощью двух и более объективов более достоверно имитировать объём за счёт свойств бинокулярного зрения, но даёт возможность наблюдать записанные объекты с единственной точки.
В голографии, кроме амплитуды, регистрируются также фаза и направление световых волн с помощью интерференции, преобразующей фазовые соотношения в соответствующие амплитудные. При этом объектив не требуется, а полученная голограмма позволяет менять точку наблюдения произвольно, а в некоторых случаях и «заглядывать» за объект. При записи голограммы складываются две волны: одна из них идёт непосредственно от источника (опорная волна), а другая отражается от объекта записи (объектная волна). В месте сложения этих волн размещают фотопластинку или иной регистрирующий материал. В результате сложения объектной и опорной волн возникает неподвижная интерференционная картина, которая регистрируется фотопластинкой в виде микроскопических полос потемнения, соответствующих распределению электромагнитной энергии в этой области пространства.
Если проявленную пластинку осветить волной, близкой к опорной, то записанная интерференционная картина за счёт дифракции преобразует свет в волну, близкую к объектной. Таким образом, при воспроизведении голограммы образуется волновое поле, соответствующее записанному по амплитуде, фазе и направлению. В результате зритель видит в месте расположения объекта съёмки относительно фотопластинки его мнимое изображение. Вторая волна, образованная при освещении голограммы, образует действительное изображение. Любая голограмма является способом сохранения информации об электромагнитной волне в виде интерференционной картины (максимумов и минимумов пучностей) методом физической записи в специальной среде об отражённом от объекта, рассеянном волновом фронте электромагнитного излучения, его амплитуде (яркости) и сдвиге фазы (объёме) в некоторой точке с возможно меньшей потерей информации, либо имитации такой картины специальными голографическими методами.
В 1962 году американские оптики и радиофизики Эммет Лейт (1927–2005) и Дж. Юрис Упатниекс (род. 1936) усовершенствовали схему Габора, разделив предметный и опорный пучки, которые стали теперь пересекаться непосредственно перед фотопластинкой. Это позволило, во-первых, голографировать непрозрачные предметы сложной формы, а во-вторых, разнести восстановленные изображения в пространстве. Схема Лейта – Упатниекса стала основой современных голографических установок.
Граммофон
Впервые устройство, позволяющее записывать звук, было создано в 1857 году Леоном Скоттом. Он назвал его фоноавтографом. Игла, которой передавались колебания звуковой диафрагмы, вычерчивала кривую на поверхности вращавшегося цилиндра, покрытого слоем сажи. Однако воспроизвести записанный на саже звук было невозможно.
Знаменитый американский изобретатель Томас Эдисон в 1877 году создал первую «говорящую машину» – фонограф, позволявшую воспроизводить звук.
Принцип фонографа был практически тот же, что у телефона. Звуковые волны с помощью трубы приводились к пластинке из очень тонкого стекла или слюды и резцом, прикрепленным к ней, записывались на быстро вращающийся вал, покрытый оловянной фольгой. На фольге получались следы, форма которых соответствовала колебаниям пластины и, следовательно, падающим на нее звуковым волнам. Этой полосой листового олова можно было пользоваться для получения на том же приборе тех же звуков.
При равномерном вращении полосы, резец, прикрепленный к пластинке, проходил вдоль сделанной им ранее борозды. И получались те же самые колебания. Таким образом, фонограф воспроизводил всякий разговор, пение и свист.
Первые приборы Эдисона, созданные в 1877 году хрипели, чрезмерно усиливали некоторые звуки, совсем не воспроизводили другие, да и звук можно было различить, лишь приложив ухо к диафрагме. Игла, переходя из одного углубления в другое, испытывала собственные колебания, передававшиеся в виде сильных шумов.
Эдисон упорно работал над улучшением фонографа. После многих экспериментов был найден подходящий материал для валиков – сплав воска и растительных смол, точный состав которого Эдисон держал в секрете. В 1878 году он основал фирму по производству фонографов. Одновременно во всех газетах была развернута реклама этого изобретения. Уверяли, что фонограф можно будет применять для диктовки писем, издания звуковых книг, воспроизведения музыки, изучения иностранных языков, записи телефонных сообщений и многих других целей.
Однако новый усовершенствованный фонограф не получил широкого распространения. У него и цена была высокая, и валик заполнялся всего за несколько минут. А после нескольких прослушиваний он разрушался. С воскового валика невозможно было получить копии. Всякая запись была уникальной и с порчей валика пропадала навсегда.
Все эти недостатки были преодолены Эмилем Берлинером, который в 1887 году получил патент на другой звукозаписывающий прибор – граммофон. Принцип устройства у них был одинаковый, но игла в записывающем аппарате Берлинера располагалась параллельно плоскости диафрагмы и чертила извилистые линии (а не борозды, как у Эдисона). Кроме того, вместо громоздкого и неудобного валика Берлинер избрал круглую пластинку.
На диск большого диаметра с бортиком устанавливали предназначенный для записи звука полированный цинковый диск. Сверху на него наливали раствор воска в бензине. Диск-ванну вращали с помощью ручки, а система шестерней и ходового винта связывала вращение диска с ходом записывающей мембраны, укрепленной на стойке.
Когда бензин испарялся, на диске оставался очень тонкий слой воска и диск был готов к записи. Нанесение звуковой канавки Берлинер производил почти так же, как Эдисон, при помощи записывающей мембраны, снабженной трубкой с небольшим рупором и передававшей свои колебания иридиевому острию.
С такого диска легко можно было получить копии. Их делали с помощью гальванопластики, открытой в 1838 году русским электротехником Морицем Якоби.
Пластинки поначалу делали из какого-нибудь пластического материала: целлулоида, эбонита, всевозможных восковых масс и др. Самая первая в истории граммофонная пластинка была изготовлена Берлинером в 1888 году из целлулоида.
Граммофонные пластинки, поступившие в начале 1890 годов в продажу, были из эбонита. Но и целлулоид, и эбонит плохо поддавались прессовке и недостаточно точно воспроизводили рельеф матрицы. Проделав множество опытов, Берлинер в 1896 году создал специальную шеллачную массу (в состав ее входили шеллак – смола органического происхождения, тяжелый шпат, зола и некоторые другие вещества), которая оставалась потом на протяжении многих десятилетий основным материалом для изготовления пластинок.
Проигрывание пластинок происходило на специальном устройстве – граммофоне. Первоначально граммофон приводился в движение от руки, а затем стал устанавливаться на ящик с часовым механизмом. И на этом граммофоне звук воспроизводился с треском и искажениями, тем не менее это изобретение имело огромный коммерческий успех – за десять лет граммофоны распространились по всему миру и проникли во все слои общества. К 1901 году было выпущено уже около четырех миллионов пластинок. Фонографы не могли выдержать конкуренции с творением Берлинера, и Эдисону пришлось свернуть их производство.
Громоотвод
Никто не мог понять, почему некоторые высокие здания часто страдали от молний, а другие – нет.
Найти этому правильное научное объяснение люди смогли, когда открыли явление электричества.
В январе 1746 года Питер ван Мушенброк из Лейдена (1692–1761) изобрел электрический конденсатор – знаменитую лейденскую банку, в которой можно было накапливать и некоторое время сохранять электрические заряды.
Бенджамен Франклин (1706–1790) ввел в науку понятие положительного и отрицательного электричества.
Когда мы пользуемся словами «батарея», «конденсатор», «проводник», «заряд», «разряд», «обмотка», мы вряд ли помним о том, что Франклин первым дал названия всем этим вещам.
Теория статического электричества помогла Франклину сделать сенсационное открытие – он первым доказал, что молния, с грохотом прорезающая небо, и искра, полученная с помощью лейденской банки, это одно и то же явление, только в разных масштабах.
Когда стала ясна электрическая природа молнии, Франклин смог осуществить главное изобретение своей жизни – громоотвод.
Франклин в июне 1752 года провел свой опыт и убедился, что его идея заряженности грозовых облаков электричеством блестяще подтвердилась.
К осени 1752 года на крыше своего дома в Филадельфии Франклин установил заземлённый металлический стержень. Этот громоотвод был испытан при первой весенней грозе 12 апреля 1753 года и блестяще подтвердил своё предназначение.
Есть предположение, что Россия, где величайшее открытие века – громоотвод – официально было применено намного позднее, чем в европейских странах, оказалось, опередила их в этом отношении.
Это подтверждает громоотвод Невьянской башни. Невьянский железоделательный завод возник на рубеже двух веков и выплавил первый чугун 15 декабря 1701 года. Завод строился казной и был сначала предприятием государственным. Затем он был передан тульскому оружейных и железных дел мастеру Никите Демидову. Начав восстановление и расширение завода, Никита Демидов вскоре передал бразды правления старшему сыну Акинфию, который и стал руководителем Невьянского завода на многие годы. На Невьянском заводе работало 420 опытных специалистов – молотовых, доменных, дощатых мастеров, подмастерьев, кузнецов и других рабочих. Через два десятилетия после пуска завод давал чугуна и железа намного больше, чем все казённые заводы Урала вместе взятые. Начальник уральских и сибирских горных заводов генерал де Геннин написал Петру Первому об Акинфии Демидове: «…такого в заводском деле искусного человека едва сыскать можно».
На Невьянском заводе при Акинфии Демидове вводились различные технические новшества: каменная башня с первой в мире своеобразной конструкцией железочугунных балок в зонах растяжения верхних этажей – восьмериков, первая в России частная химическая лаборатория для опробования руд, наиболее крупная в России коллекция руд, башенные часы-куранты с колоколами, громоотвод.
Как и любое современное устройство для грозовой защиты, громоотвод Невьянской башни состоит из трёх частей: молниеприёмника, молниеотводов и заземления.
Молниеприёмник представляет собою вертикальный металлический стержень, на который насажен шар диаметром около тридцати сантиметров с толщиной металла около одного миллиметра.
На наружной поверхности шара когда-то были наглухо прикреплены два с половиной десятка полых треугольных остроконечных шипов длиною до сорока сантиметров из такого же, как и шар, металла. Шипы вместе с выступающей из шара вертикальной осью выполняли роль заостренных стержней для притяжения ударявших в башню молний. От ударов молнии многие лучи полностью разрушены, а на некоторых, частично или полностью сохранившихся, видны оплавленные отверстия.
Шар, или, как его называли в старое время из-за шипов-лучей, шар-солнце, через отверстия в нижней и верхней своих частях крепился муфтами к вертикальному металлическому стержню, который служил одновременно и осью для двухметрового флага-флюгера, расположенного под шаром.
По данным спектральных анализов вертикальный стержень и муфты крепления к нему шара-солнца содержат совершенно одинаковое количество примесей – кремнезема, хрома, марганца и никеля. В составе железных флага-флюгера и шара с шипами содержание этих же элементов также одинаково. Отсюда можно заключить, что флюгер и шар-солнце изготавливались и монтировались на вертикальной оси одновременно.
Об этом же говорит и то, что при установке оси, выступающей над шпицем башни более чем на полтора метра, заранее предусматривалось место для флага-флюгера (высота семьдесят два сантиметра) и для шара-солнца (диаметр около тридцати сантиметров).
Металлическая ось, на которой вращается флаг-флюгер и крепится шар-солнце, своей нижней и средней частями накрепко входит в прямоугольные отверстия в двух поперечных горизонтальных металлических балках. Эти балки своими концами уходят вовнутрь кирпичной кладки шпица и скрепляют её. Внутри этой кладки проходят вертикальные металлические стержни, составляющие каркас шпица.
Не будь каркаса, шпиц был бы разрушен, так как вибрация поперечных балок при вращении флюгера расшатала бы стенки, толщина которых всего лишь длина башенного кирпича, то есть примерно около трети метра.
Каркас шпица соединён с продольными металлическими прутьями-полосами, вмонтированными внутри кирпичной кладки ярусов и четверика и уходящими в землю под башню. Многочисленные железные выступы, расположенные через равные промежутки с внутренней стороны стен башни, подтверждают наличие этих металлических полос.
В 1978 году Невьянскую башню исследовал кандидат технических наук В. М. Слукин. С помощью современных геофизических методов и совершенных приборов он выявил аномалии, позволяющие предположить, что внутри западной стены четверика башни проходят вертикальные металлические стержни.
Смотритель Невьянской башни А. И. Саканцев считает, что балконы башни имеют связь с землей, то есть заземлены, хотя никаких металлических проводников ни с наружной, ни с внутренней сторон не видно.
Вывод напрашивается сам: без хороших молниеотводов и заземления башня могла быть не единожды разрушена при попадании в неё молнии. А молния ударяла в неё не однажды. Об этом можно судить по многочисленным следам ударов на поверхности шара-солнца и шипов. Да и простейшие расчёты говорят об этом же.
Если бы удалось установить, кто предложил устроить громоотвод на Невьянской башне, были ли чертежи громоотвода, тогда смело и определённо можно было утверждать, что Акинфий Демидов на четверть века опередил открытие американского изобретателя.
Детектор лжи
Необходимость выявления лжи возникла с того момента, когда человек начал объединяться в сообщества. Эту задачу, как правило, решали наиболее мудрые члены сообщества – вожди, старейшины, судьи. Из истории известно, что у разных народов были выработаны разнообразные специальные техники и ритуалы для распознания обмана и изобличения лжеца.
Эксперты прибегали к наблюдению за динамикой отдельных физиологических процессов (слюноотделение, двигательная активность рук).
Реакция острых психических переживаний человека может проявляться и во многих других физиологических процессах. Например, сам принцип диагностики по пульсу уже был хорошо известен с древнейших времён в кругу образованных людей.
В 1879 году доктор Мари Габриэль Ромэн Вигуру обнаружил, что электрическое сопротивление кожи человека изменяется от психических переживаний или страха. Это открытие в дальнейшем поспособствует изобретению психогальванометра.
В 1895 году тюремный психиатр начал использовать первый прибор для проверки осужденных и подозреваемых. Он назывался гидросфигмограф. Такой прибор мог регистрировать изменения кровяного давления и пульса в зависимости от поставленных человеку вопросов. В 1902 году при помощи этого нового устройства смогли оправдать обвиняемого в совершении преступления.
Витторио Бенусси считал, что человека, который лжет, может выдать дыхание. И в 1914 году он начал использовать прибор – пневмограф – который измерял частоту и амплитуду дыхания. Критерием оценки было то, что если дыхание человека замедлялось, значит он ответил правду.
Первый полиграф, который могли использовать в вынесении результата суда, был создан в 1921 году. Его создателем был студент-медик Калифорнийского университета Джон Ларсон (1892–1965). Именно он зарегистрировал одновременное изменение физиологических процессов для детекции лжи. Он измерял пульс, кровяное давление и дыхание. Он также стал применять вместе с детекцией лжи и тест с вопросами, которые не относились к преступлению. Этот полиграф стал настоящим открытием и в наше время полиграф Ларсона считается одним из самых значимых изобретений.
Американец Лэнэрд Килэр (1903–1949) изобрел всемирно известный полиграф Килэра, на который он получил патент в 1931 году. Полиграф Килэра стал наиболее широко используемым полиграфом в мире в течение следующих трех десятилетий, в результате чего Килэр считается «отцом современного полиграфа».
Классический детектор лжи – это многоканальный регистратор психофизиологических параметров организма человека: дыхания, пульса, сопротивления кожи. Принцип работы прибора основан на предположении, что во время произнесения заведомой лжи человек испытывает микростресс, который регистрируется прибором. Для получения достоверных сведений при тестировании на полиграфе нужен не только хороший прибор, но не менее важна квалификация оператора, а также грамотно разработанная методика проведения опроса.
Детекторы, использующиеся в криминалистике с 1920 годов, определяют, лжет человек или говорит правду, по физиологическим параметрам: кровяному давлению, дыханию, потоотделению. Так что кристально честные, но нервные люди, когда их тестируют такими детекторами, кажутся совершеннейшими врунами, а хладнокровные лжецы представляются образчиками правдивости.
Дизельный двигатель
Поршневой двигатель внутреннего сгорания, работающий по принципу самовоспламенения распыленного топлива от воздействия разогретого при сжатии воздуха. Изобрел его Рудольф Дизель в 1897 году.
Рудольф Дизель родился в Париже в семье переплетчика книг Теодора Дизеля и Элизы Штробель 18 марта 1858 года. Но в 1870 году семья уехала из занятой немецкими войсками столицы Франции в Лондон во время Франко-Прусской войны. До окончания войны мать отправила Рудольфа в Аугсбург к тете и дяде-профессору. В 1871 году Рудольф поступил на обучение в Королевское Земское училище в Аугсбурге, где его дядя преподавал математику. После окончания училища в 1873 году с отличием юноша поступил в только что открывшуюся Техническую Школу в Аугсбурге. Спустя два года он получил стипендию в Королевском Баварском Политехническом институте в Мюнхене.
Техническое образование позволило ему при разработке своего устройства использовать более ранние наработки, например, идеи Сади Карно от 1824 года, известные как «цикл Карно». Дизель предложил свой способ практической реализации этой идеи и получил патент на двигатель 23 февраля 1892 года, а в 1893 году выпустил брошюру на эту тему. Позже он запатентовал несколько вариантов конструкции. В 1895 году получил патент на двигатель в США. А действующий образец построил в 1896 году. Несколько предыдущих оказались нерабочими, а этот заработал. Изобретатель назвал его «дизель-мотором». Этот мотор был успешно испытан 28 января 1897 года. После этого Дизель активно занялся продажей лицензий на новый двигатель.
Этот двигатель был больше и тяжелее паровых машин того времени, работал на растительных маслах или легких нефтепродуктах. Первоначально в качестве идеального топлива изобретатель предлагал каменноугольную пыль, ведь в Германии было много угля и совсем не было месторождений нефти. Однако эксперименты показали полную непригодность угольной пыли в качестве топлива. Во-первых, из-за высоких абразивных свойств как самой пыли, так и золы, получающейся при сгорании; во-вторых, возникали большие проблемы с подачей пыли в цилиндры.
Независимо от Дизеля в 1898 году на Путиловском заводе в Петербурге инженер Густав Тринклер построил первый в мире «бескомпрессорный нефтяной двигатель высокого давления», то есть дизельный двигатель в его современном виде с форкамерой, который назвали «Тринклер-мотором». Русская конструкция, появившаяся на полтора года позднее немецкой и испытанная на год позднее, оказалась гораздо более совершенной и перспективной. Однако под давлением Нобелей и других обладателей лицензий Дизеля работы над двигателем в 1902 году были прекращены.
Эммануил Нобель приобрел лицензию на двигатель внутреннего сгорания Рудольфа Дизеля в 1898 году. Двигатель приспособили для работы на нефти, а не на керосине. С 1899 году Механический завод «Людвиг Нобель» в Петербурге развернул массовое производство дизельных двигателей. В 1900 году на Всемирной выставке в Париже двигатель получил Гран-при. Он стал называться в Европе «русский дизель».
Примерно 30 лет такие двигатели широко применялись в стационарных механизмах и силовых установках морских судов, однако существовавшие тогда системы впрыска топлива с воздушными компрессорами не позволяли применять дизельные двигатели в высокооборотных агрегатах. Небольшая скорость вращения, значительный вес воздушного компрессора сделали невозможным применение первых дизельных двигателей на автотранспорте.
В 1920 годы немецкий инженер Роберт Бош усовершенствовал двигатель, и его стали применять как силовой агрегат для вспомогательного и общественного транспорта, для установки на пассажирских и небольших грузовых автомобилях.
В середине XX века дизели начали устанавливать на легковых и грузовых автомобилях из-за их экономичности и долговечности и меньшей токсичности выбросов в атмосферу. Все ведущие европейские производители автомобилей в настоящее время имеют модели с дизельным двигателем.
На железной дороге также есть локомотивы с дизельным двигателем – это тепловозы. Они являются основным видом локомотивов на неэлектрифицированных участках.
