Томас Дерри
Краткая история технологий. Идеи, процессы и устройства, при помощи которых человек изменяет окружающую среду с древности до наших дней
Дальнейшее развитие черной металлургии
Металлургическая индустрия к концу рассматриваемого периода ассоциировалась с каменным углем, что сформировало ход промышленной революции. Существовало три доминирующих фактора. В XVI веке, после длительного периода незначительных колебаний цены на железо, оно резко подорожало. В то же время военные кампании и затрачиваемые на них средства спровоцировали спрос на железо – например, по приказу полководца Тилли ежедневно тратилось 12–18 тысяч чугунных пушечных ядер во время двухмесячной осады Магдебурга в 1631 году. Несмотря на прирост населения, возник избыток произведенного железа в условиях мирного времени – на изготовление сельскохозяйственных орудий, задних стенок камина, кочерег и устройств для приготовления пищи в домашних условиях. Увеличился дефицит древесины для производства древесного угля, цены на который возросли, что вызвало перемещение отрасли из района в район и даже из страны в страну, поэтому в XVIII веке Швеция стала ведущей угольной страной. В Великобритании решили перейти с древесного угля на каменный.
После преобразования кричной печи в доменную повысилась производительность труда и снизилось потребление топлива. Печь стала выше, тяги хватало для температуры приготовления чугуна для отливки. Энергия водяных колес решила проблему печной тяги, и к концу XVII века работали с печами высотой около 10 метров. В такие печи непрерывно подавали руду и топливо, она могла выплавлять чугун сорок недель подряд. В результате Англия на столетие получила монополию на отливку чугунных пушек, начиная со времен Генриха VIII и заканчивая подъемом шведской индустрии в период Тридцатилетней войны. В 1682 году из чугуна сделали водопроводы, соединяющие Марли с Версалем, а вскоре после 1700 года владелец металлургического завода, швед Кристофер Полем, на производстве в Стьярнсунде применил прокатные чугунные вальцы как основу для малых вальцов из кованого железа, которые расходовали меньше гидроэнергии. Дисковые пилы для продольной разрезки также использовались в Швеции в начале XVIII века (рис. 53).
Рис. 53. Дисковая пила для продольной разрезки, на гидроэнергии. Сведенборг «Подземное царство», 1734 г.
Однако кричное железо для ковки не годилось. Хотя в доменной печи удавалось снизить общее количество примесей в руде, из-за высокой температуры, при которой это происходило, в конечном продукте появлялась сера и фосфор; кузнецы по-прежнему предпочитали работать с блюмом, производимым при более низких температурах. Кованое железо использовали чаще чугуна. При работе в кузнице теперь применялась тромпа (водотрубная воздуходувка) – итальянское изобретение примерно 1500 года. Она заменила мехи; воздух перекачивался туда-сюда за счет закрытого накопителя воздуха (или «духового ящика». – Пер.) и водопроводной трубы. Кузнечные молоты обычно работали на гидроэнергии, как и хвостовые молоты; устройства для волочения проволоки, а также вальцовые мельницы и дисковые пилы для продольной разрезки, используя тот же источник энергии, готовили полосовое железо и железную проволоку.
Сталь производилась по-разному, но малыми объемами. Для сельскохозяйственных инструментов кузнец часто изготавливал сталь самостоятельно, снижая объем подходящей руды в печи. Стандартный метод подразумевал обработку блюмов ковкого железа, которые науглероживали погружением в расплавленный чугун, содержащий больше углерода. Полосы кованого железа длиной до 1,5 метра также науглероживали для придания твердости, обжигая с древесным углем 3–7 дней в печи, похожей на пекарскую. Наконец сталь готовили в тиглях, нагревая железо с древесным углем, – таким методом в Индии изготавливали «сталь Вутца»; о ней узнали в Англии в XVII веке, но первым ее внедрил в коммерческое производство на Западе Бенджамин Гентсман – часовщик из Донкастера, построивший заводы вблизи Шеффилда в 1751 году.
Для каждого из этих процессов постоянно требовалось топливо. Применение каменного угля при ковке железа в кузницах не вызывало никаких серьезных технических проблем; вполне возможно, что в некоторых районах каменный уголь смешивался с древесным углем в кузнице для производства подков и других простых железных изделий задолго до того, как стали использовать только каменный уголь. В Англии и Шотландии в конце Средневековья каменный уголь служил бытовым топливом, потому что в окрестностях было много обнаженных пород и легкодоступных залежей. Но в Бельгии, Нидерландах и Люксембурге крупные угольные шахты разрабатывались специально под изготовление железа для отделки и другое металлургическое производство, сделавшее Льеж сосредоточением оружейных заводов особенно в первой половине XVI века. Во второй половине того же века, при правлении Елизаветы I, стало не хватать древесины; поговаривали, что дефицит усиливался из-за стремительной продажи лесов при закрытии монастырей. Из-за роста населения, развития судостроения и усиления производственных нужд уголь начали добывать в Тайнсайде и других районах Англии, Шотландии и Уэльса. Подсчитано, что к 1660 году эти районы добывали в пять раз больше каменного угля, чем все другие страны, вместе взятые; данное лидерство, с незначительными изменениями, сохранялось весь XVIII век.
Рассматривать взаимосвязь между лидерством Великобритании в угледобыче и ее господством в развитии транспорта и создании нового источника энергии не будем. Уже отмечено, что применение нового топлива заставило использовать закрытые тигли при производстве стекла. В ряде других отраслей, в том числе в производстве соли выпариванием, квасцов, извести, кирпича и пивоварении, применение нового топлива привело к фундаментальным изменениям, ибо каменный уголь лишь давал тепло, но не участвовал в реальных процессах производства. С чугуном было больше проблем, чем со стеклом, и они решились не сразу, потому что на всех стадиях производства чугуна каменный уголь ухудшал его качества. В 1614 году два англичанина предложили использовать каменный уголь для преобразования пруткового железа в сталь; к тому времени небольшое количество каменного угля смешивалось с древесным во время ковки пруткового железа. Почти 100 лет чистый каменный уголь не использовали в доменных печах. Решение проблемы пришло через пивоварение.
Если каменный уголь (уже обычное топливо на пивоваренных заводах для нагревания сусла перед брожением) использовался для сушки солода, то он портил вкус пива; главная причина – присутствие серы. Но во времена гражданской войны пивовары из Дербишира, где нашли особый вид каменного угля, решили его обугливать и получать кокс (по принципу получения древесного угля из древесины). В результате солод сушили при помощи кокса – так появилось знаменитое дербиширское пиво. Тем не менее в конце XVII века проблему выплавки чугуна так и не решили, хотя в новых отражательных печах использовали каменный уголь непосредственно для плавления свинцовой руды, а для плавки меди применяли смесь каменного и древесного угля. Первый успешный эксперимент провел квакер Абрахам Дарби, чьи знания помогли владельцу солододробилки в Коулбрукдейле, графство Шропшир, в 1709 году. Но его предложение использовать кокс в доменной печи, кажущееся нам запоздалым, восприняли без энтузиазма: за 50 следующих лет в Великобритании построили только шесть коксовых печей. Семья квакеров из Коулбрукдейла, вероятно, не раскрыла секрет, принесший им небольшую прибыль. Главным фактором, скорее всего, было отсутствие интереса среди конкурентов: нельзя добиться успеха без тщательного отбора руды и каменного угля, а также за счет довольно медленного внедрения каменного угля для других целей. Используя большие объемы древесного угля при превращении болванок в прутковое железо (сортовой прокат), кузнецы не покидали лесистые области и не желали селиться в регионах с избытком каменного угля. В 1748 году Абрахам Дарби II начал серьезно изучать проблему производства чугуна в кузницах, ему удалось отобрать руды с очень низким содержанием фосфора. Началась выплавка коксового чугуна – событие, ознаменовавшее новый период в долгой истории производства чугуна.
Оружие
Хотя Дэвид Юм в 1750 году объявил чугунную пушку и судостроение показателем великого мастерства английских промышленников, военное вооружение в целом – хорошее доказательство умелого применения европейцами своих металлургических навыков. Примерно до 1700 года главным оружием пехотинца была пика – стальной наконечник, закрепленный на древке длиной до 6 метров, – эффективная защита от кавалерии. Ей на смену пришел штык, впервые примененный мушкетерами армии Людовика XIV. Пикинеры стали обходиться без шпаг, с которыми ходили в рукопашную, хотя шпаги были у офицеров – для нанесения колющих ударов и дуэли. Стандартным кавалерийским оружием становится сабля (колюще-режущее и рубяще-режущее оружие), а также облегченная и укороченная версия копья средневекового рыцаря. Такое оружие играло все меньшую роль, по крайней мере во время противоборства цивилизованных наций, из-за того что оружейная сталь, по-видимому, была менее качественной, чем в прежние годы, когда очень тщательно отслеживали дефекты металлического оружия.
Первое ручное огнестрельное оружие было неточным, для ведения огня в ближнем бою; оружейники решили усовершенствовать его скорее из-за большого спроса на качественное охотничье оружие – с качественным стволом и спусковым механизмом. Ствол обычно делался из полос железа: либо одна полоса сгибалась по форме цилиндра, а затем сваривалась по краю, либо несколько коротких полос сворачивались в трубки и сваривались встык. Преимущество второго метода в том, что металл легко зауживался по направлению к дулу, где требовалась относительно меньшая прочность. В любом случае грубо сформованный ствол сверлился с помощью бура, вращающегося на конце длинного вала, постепенно входящего в ствол; в XVIII веке такие механизмы работали на гидроэнергии (рис. 54). Как додумались нарезать ствол, неизвестно: опыт показал, что вращающийся снаряд летит дальше и точнее. Тем не менее уже в середине XVIII века один из авторов знаменитой французской «Энциклопедии» полагал, что нарезка ствола просто обеспечивает плотную посадку пули, но не заставляет ее вращаться, хотя физику вращения снаряда изложил Королевскому обществу Робинс в 1747 году. Во всяком случае, о ружьях хорошо знали в 1525 году и, возможно, их использовали на полвека раньше, судя по оружейным записям в Турине и Нюрнберге. Ружья не применялись в военных целях до Тридцатилетней войны, ими пользовались богатые охотники, заказывавшие себе более качественное и точное оружие, которое было не так важно для войск, сражающихся в сомкнутом строю и стреляющих с близкого расстояния. Во избежание проблем при зарядке нарезного ствола с дула применяли свинцовые пули чуть большего калибра, по каналу ствола их проталкивали шомполом до упора. Долгий процесс зарядки дульнозарядного оружия сильно сдерживал его применение в военных целях.
Рис. 54. Механизм на гидроэнергии для сверления орудийных стволов. Из «Энциклопедии» Дидро, 1777 г.
Ранний пистолет имел медленный запальный фитиль, соединенный с затравочным отверстием ствола так, чтобы воспламенить часть порошкообразного запала в запальном пазу. Его заменил фитильный замок с рычагом, который при натяжении спускового крючка опускал фитиль на запал; однако стрельба по-прежнему зависела от горения фитиля – нелегкая задача в полевых условиях, когда приходилось поддерживать горение куска грубого шнура, сильно пропитанного селитрой. Для всадника такая задача была особенно трудновыполнима, поэтому колесцовый замок (считается итальянским изобретением, сделанным примерно в середине франко-итальянских войн 1494–1559 годов) стал излюбленным устройством для кавалерийских седельных пистолетов. В колесцовом замке ключ изгибал пружину, распрямление которой поворачивало шероховатое колесо, трущееся о кусок пирита; высеченные искры воспламеняли запал. Из-за пружины из пистолета не удавалось быстро стрелять дважды, поэтому им пользовались в основном кавалеристы, которые успевали его перезаряжать. С 1580 года у колесцового замка появились соперники – голландский ударный кремневый замок и испанский замок, сохранившийся до времен войны на полуострове, где его называли микелет. Следующее решающее нововведение – замок кремневого ружья, усовершенствованный во Франции в 1630 году. Кремень оттягивался назад (взводился), а после отпускания курка приводился в движение тугой пружиной, соприкасаясь с шероховатой металлической пластиной над запальным пазом, в который попадали искры. Этот механизм был сильнее колесцового замка, поэтому скорострельность оружия увеличилась. Кремневое ружье требовалось для новой французской забавы – отстрела птиц на лету – и поначалу считалось роскошью для пехотинца. Людовик XIV вооружил кремневыми ружьями свою армию в 1660-х годах; в Англии переоснащение началось во время революции 1688 года. Улучшенный кремневый замок установили на «Браун Бесс» – 10-фунтовое и 62-дюймовое орудие, бывшее на вооружении в британской армии от Бленхейма до Ватерлоо. Появление пороха, взрывающегося от удара, запатентованного шотландским священником Александром Джоном Форсайтом в 1807 году, спровоцировало отказ от кремневых ружей, хотя их до сих пор находят в некоторых регионах Африки, куда экспортировали норфолкские кремни.
Стандартная пушка XVI и последующих веков – гладкоствольная, заряжающаяся с дула, отливалась из бронзы, латуни или железа. Железо было самым дешевым материалом, но бронза считалась лучшим из-за меньшей подверженности коррозии и разрыву. С появлением доменных печей делали большие чугунные отливки, однако три столетия сохранялся общий принцип – как при изготовлении больших бронзовых пушек, одна из которых, весящая почти 19 тонн, была у турок при осаде Константинополя в 1453 году. В значительной степени литье пушек основано на средневековом искусстве литья колоколов.
Изготовление пушки включало три различных процесса. Первый процесс: приготовление глиняной формы из трех частей. Одна часть в точности воспроизводила внешнюю сторону пушки, в том числе украшения и цапфы, на которых она поворачивалась; вторая часть представляла собой модель казенника орудия; третья – сердцевину или пространство под ствол. Затем глиняная модель армировалась железными стержнями, собиралась, обжигалась и погружалась в яму. Второй процесс: заполнение формы в яме расплавленным металлом из печи; после форму разбивали, чтобы извлечь отливку. Третий процесс: сверление ствола буром, насаженным на длинный вал, приводимый в движение водяным колесом, с опорой только на одном конце – неточный метод, который усиливал любое смещение оси ствола в исходной форме. В 1747 году голландцы предложили крепить бур на специальной тележке, надвигающейся на вращаемый водяным колесом ствол по направляющим рельсам; а в Великобритании метод усовершенствовали только с изобретением сверлильного станка Уилкинсона.
Небывалое развитие артиллерии наблюдалось примерно в середине XVIII века, когда на вооружении появилась полевая пушка; однако задолго до этого, во времена Мальборо, методы ведения крепостных войн внезапно изменились в сторону медленного выстраивания тяжелых осадных батарей. По-прежнему серьезной проблемой было воздействие артиллерии во время морских столкновений. Успех морского сражения зависел не от древней тактики абордажа и тарана, а от массированности обстрела по вражеской линии. Таким образом, умение мастеров создавать более тяжелые орудия играло значительную роль в обмене бортовыми залпами, от которых так часто зависела судьба Европы со времен де Рейтера до эпохи Нельсона.
Рис. 55. Римский слесарь за работой. II в.
Ремесло оружейника тесно связывалось с деятельностью слесаря, чья профессия была гораздо древнее. Ремесло слесаря хорошо знали во времена Римской империи (рис. 55). После того как человек стал вести оседлый образ жизни и приобретать личные вещи, ему понадобилось защищать свое имущество от кражи. Замки с утяжеленными «падающими штифтами» находили на египетских гробницах 2000 года до н. э. На шкатулке 1350 года до н. э. имеется простой замок, в котором вращением ручки перемычка входит в паз. Однако на сокровищницы древние египтяне ставили пломбы, поломка которых влекла жесткие санкции.
Так называемый египетский замок появился значительно позже, во времена Птолемея. В этом замке (рис. 56) несколько зубцов под прямым углом к поперечине железного ключа поднимали «падающие штифты»; похожий деревянный замок, но с металлическим ключом (рис. 57) был в монастыре Епифания, в Фивах, датируемый примерно 800 годом. Подобный замок до сих пор используется в скромных египетских жилищах, то есть его непрерывно применяют более двух тысячелетий. Тем не менее обычные замки поздних времен созданы по иному принципу: «падающие штифты» средневековых европейских замков расположены в один ряд, а поднимающий их ключ крепится непосредственно к планке вместо крестовины замка. Сохранившиеся египетские ключи – металлические, сделать их из дерева было невозможно; более поздний тип ключа, напротив, легко делался из древесины. Деревянные ключи встречаются на Фарерских островах (рис. 58), Греческих островах, в Занзибаре, Китае и Индии. Это не противоречит мнению о том, что современный замок произошел от очень древнего азиатского деревянного замка.
Рис. 56. Железный египетский ключ III или II в. до н. э.
Рис. 57. «Египетский» замок и ключ из Фив. 800 г.
Рис. 58. Примитивный деревянный замок. Фарерские острова
Слесари Средневековья и раннего современного периода, которые также делали защелки, ручки и декоративные железные изделия для сундуков и выдвижных ящиков, создавали элегантные механизмы и множество очень сложных замков. У Генриха VIII, например, был замок размером 35 × 20 сантиметров с королевским гербом; говорят, он вешал его на дверь своей опочивальни каждый раз, когда ее покидал. В Англии времен Елизаветы производство дверных замков, висячих замков (термин XV века) и замков для шкафов сосредоточилось в трех городах Стаффордшира, оставаясь преимущественно ремесленным делом почти до 1900 года. Позже замки усовершенствовали. Во-первых, поворотные пластины должны были выравниваться ключом до опускания задвижки замка; позже, как в замке Роберта Баррона 1778 года, концы «падающих штифтов» тщательно подгонялись под «рисунок» ключа. О достижениях Брама хорошо известно, но два самых важных изобретения сделал Иеремия Чубб, запатентовавший в 1818 году рычажный замок, с которого началось крупное английское производство (см. рис. 165); а в следующем поколении – американское производство Линуса Йеля. Отделив запирающий механизм от замка, получили цилиндровый замок: зубцы египетского замка вновь появились в виде пяти вырезов на «йельском ключе», они автоматически нарезались на фрезерном станке; диапазон высот вырезов равнялся восьми; запорный механизм имел 32 768 вариаций.
Приборостроение
Мастерство металлообработки можно проследить по развитию приборостроения. Остановимся на некоторых приборах, имеющих прямое практическое отношение к технологии: изготовление научных приборов, несомненно, имело огромное значение (в 1776 году полдюжины изготовителей приборов становятся членами Королевского общества), но повлияло только на те исследования, ради проведения которых приборы создавались. Мореплаватели, артиллеристы и геодезисты были основными покупателями подобных инструментов.
Современная традиция приборостроения начинается примерно с середины XV века, когда Нюрнберг становится первым крупным центром приборостроения Западной Европы: ремесленники переняли мало традиций Средневековья, однако по-прежнему чувствовалось влияние Александрии. Традиции александрийских ученых (унаследованные от астрономов-мусульман), достигшие апогея при Птоломее, который подробно описал приборы своего времени в «Альмагесте», не передавались в Византийскую империю. Астрономические приборы одно время бойко производили в Оксфорде (рис. 59) и в Париже в XIV веке, но только к 1440 году приборостроение стало официальным ремеслом; три астрономических прибора, приобретенные в Нюрнберге в 1444 году, существуют до сих пор.
Рис. 59. Деление астрономического круга Ричардом Уоллингфордом (ум. 1335). Из рукописи XIV в.
Нюрнберг был центром приборостроения оттого, что находился выше большого торгового пути из Италии в Нидерланды, и уже являлся центром квалифицированной металлообработки, но его господство, безусловно, связано с тем, что в 1471 году там поселился Иоганн Мюллер (Региомонтан) – пионер современной астрономии. За короткое время в Аугсбурге тоже появилась знаменитая школа изготовителей приборов. Многие инструменты, сделанные в этих двух городах, до того совершенны, что ценятся сегодня не только как образцы технического мастерства, но и произведения искусства. Из Германии ремесло распространилось в Левен и отчасти в Италию, однако политические события в Европе в конце концов привели к тому, что на долгое время важнейшим мировым центром приборостроения стал Лондон. Опустошение Бельгии, Нидерландов и Люксембурга «испанским террором» лишило Левен прежней роли, а из-за Тридцатилетней войны приборостроение в Германии фактически исчезло.
Немецкие технологии появились в Англии в начале XVI века благодаря баварскому мастеру Николасу Кратцеру, некоторые из приборов которого представлены на известной картине Гольбейна «Послы», и Томасу Джемини, приехавшему из местечка вблизи Льежа и обладавшему мастерством гравировки на латуни. Гравировка на латуни оказалась своевременной инновацией, ибо тогда листовая латунь впервые появилась в Англии с помощью елизаветинской компании «Минерал энд Баттери уоркс». К этому предприятию имел отношение Хамфри Коул, возможно ученик Джемини, ставший первым английским экспертом в приборостроении. Коул обосновался в Лондоне как производитель «весов, компасов и различных геометрических приборов из металла». Его клиентами были Дрейк и Фробишер. Фробишеру Коул изготовил все приборы для первой экспедиции по поиску Северо-Западного прохода в 1576 году. Коул основал обширную династию лучших лондонских приборостроителей, по меньшей мере тридцать из которых работали до 1650 года. Из-за увеличения спроса и повышенных требований больше внимания уделяли качеству и меньше декору: к началу XVIII века перестали делать изысканно украшенные приборы, за исключением демонстрационных моделей; научные приборы выглядели строго и практично. Тем временем приборостроение все больше децентрализуется – производители навигационного оборудования переезжают ближе к основным портам, а изготовители артиллерийских приборов – к оружейным заводам.
Приборы в основном делались из латуни, слоновой кости и мелковолокнистой древесины (самшит и груша); латунь становилась все популярнее из-за твердости и прочности. Металл обрабатывали на токарном станке, часовщики значительно усовершенствовали его для точной работы. Гравирование весов было наиболее важной частью работы: до появления механических устройств оно выполнялось простыми гравировальными инструментами ударным способом; разметка гравировки делалась геометрическими методами.
Рис. 60. Продукция изготовителя приборов. Лондон, 1683 г.
Первые приборы были в основном астрономическими. К ним относились астролябия, градшток, квадрант, солнечные часы, модели Солнечной системы и основные геометрические инструменты – компас и линейка. С XVII века выпускались новые инструменты или существенно улучшенные версии старых. Чтобы удовлетворить нужды геодезистов, разработали одометр (или курвиметр), приписываемый Витрувию, но, вероятно, никогда не применявшийся в древности; прибор измерял расстояния на поверхности земли, по которой его катили, подсчитывая количество оборотов колеса. Артиллеристам требовались более точные пушки (рис. 10), и к началу XVII столетия наводка орудия значительно улучшилась. Изобретение телескопа и микроскопа породило новые проблемы в изготовлении линз; новые приборы регулярно выпускались примерно с 1660 года (рис. 60). С 1700 года научная революция повысила спрос на воздушные насосы, термометры, барометры, электрические машины и другие инструменты.