Текст книги "100 великих изобретений"

Автор книги: Константин Рыжов

сообщить о нарушении

Текущая страница: 16 (всего у книги 50 страниц) [доступный отрывок для чтения: 18 страниц]

42. ДИНАМИТ

На протяжении нескольких веков людям было известно только одно взрывчатое вещество – черный порох, широко применявшийся как на войне, так и при мирных взрывных работах. Но вторая половина XIX столетия ознаменовалась изобретением целого семейства новых взрывчатых веществ, разрушительная сила которых в сотни и тысячи раз превосходила силу пороха. Их созданию предшествовало несколько открытий. Еще в 1838 году Пелуз провел первые опыты по нитрации органических веществ. Суть этой реакции заключается в том, что многие углеродистые вещества при обработке их смесью концентрированных азотной и серной кислот отдают свой водород, принимают взамен нитрогруппу NO2 и превращаются в мощную взрывчатку. Другие химики исследовали это интересное явление. В частности, Шенбейн, нитрируя хлопок, в 1846 году получил пироксилин. В 1847 году, воздействуя подобным образом на глицерин, Собреро открыл нитроглицерин – взрывчатое вещество, обладавшее колоссальной разрушительной силой. Поначалу нитроглицерин никого не заинтересовал. Сам Собреро только через 13 лет вернулся к своим опытам и описал точный способ нитрации глицерина. После этого новое вещество нашло некоторое применение в горном деле. Первоначально его вливали в скважину, затыкали ее глиной и взрывали посредством погружаемого в него патрона. Однако наилучший эффект достигался при воспламенении капсюля с гремучей ртутью.

Чем же объясняется исключительная взрывная сила нитроглицерина? Было установлено, что при взрыве происходит его разложение, в результате чего сначала образуются газы CO2, CO, H2, CH4, N2 и NO, которые вновь взаимодействуют между собой с выделением огромного количества теплоты. Конечную реакцию можно выразить формулой:

2C3H5(NO3)3 = 6CO2 + 5H2O + 3N + 0, 5O2.

Разогретые до огромной температуры эти газы стремительно расширяются, оказывая на окружающую среду колоссальное давление. Конечные продукты взрыва совершенно безвредны. Все это, казалось, делало нитроглицерин незаменимым при подземных взрывных работах Но вскоре оказалась, что изготовление, хранение и перевозка этой жидкой взрывчатки чреваты многими опасностями.

Вообще, чистый нитроглицерин довольно трудно воспламенить от открытого огня. Зажженная спичка тухла в нем без всяких последствий. Но зато его чувствительность к ударам и сотрясениям (детонации) была во много раз выше, чем у черного пороха. При ударе, часто совсем незначительном, в слоях, подвергшихся сотрясению, происходило быстрое повышение температуры до начала взрывной реакции. Мини-взрыв первых слоев производил новый удар на более глубокие слои, и так продолжалось до тех пор, пока не происходил взрыв всей массы вещества. Порой без всякого воздействия извне нитроглицерин вдруг начинал разлагаться на органические кислоты, быстро темнел и тогда достаточно было самого ничтожного сотрясения бутыли, чтобы вызвать ужасный взрыв. После целого ряда несчастных случаев применение нитроглицерина было почти повсеместно запрещено. Тем промышленникам, которые наладили выпуск этой взрывчатки, оставалось два выхода – либо найти такое состояние, при котором нитроглицерин будет менее чувствителен к детонации, либо свернуть свое производство.

Одним из первых заинтересовался нитроглицерином шведский инженер Альфред Нобель, основавший завод по его выпуску. В 1864 году его фабрика взлетела на воздух вместе с рабочими. Погибло пять человек, в том числе брат Альфреда Эмиль, которому едва исполнилось 20 лет. После этой катастрофы Нобелю грозили значительные убытки – нелегко было убедить людей вкладывать деньги в такое опасное предприятие. Несколько лет он изучал свойства нитроглицерина и в конце концов сумел наладить вполне безопасное его производство. Но оставалась проблема транспортировки. После многих экспериментов Нобель установил, что растворенный в спирте нитроглицерин менее чувствителен к детонации. Однако этот способ не давал полной надежности. Поиски продолжались, и тут неожиданный случай помог блестяще разрешить проблему. При перевозке бутылей с нитроглицерином, чтобы смягчить тряску, их помещали в кизельгур – особую инфузорную землю, добывавшуюся в Ганновере. Кизельгур состоял из кремневых оболочек водорослей со множеством полостей и канальцев. И вот как-то раз при пересылке одна бутыль с нитроглицерином разбилась и ее содержимое вылилось на землю. У Нобеля возникла мысль произвести несколько опытов с этим пропитанным нитроглицерином кизельгуром. Оказалось, что взрывные свойства нитроглицерина нисколько не уменьшались от того, что его впитала пористая земля, но зато его чувствительность к детонации снижалась в несколько раз. В этом состоянии он не взрывался ни от трения, ни от слабого удара, ни от горения. Но зато при воспламенении небольшого количества гремучей ртути в металлическом капсюле происходил взрыв той же силы, какую давал в том же объеме чистый нитроглицерин. Другими словами, это было как раз то, что нужно, и даже гораздо более того, что надеялся получить Нобель. В 1867 году он взял патент на открытое им соединение, которое назвал динамитом.

Взрывная сила динамита столь же огромна, как и у нитроглицерина: 1 кг динамита в 1/50000 секунды развивает силу в 1000000 кгм, то есть достаточную для того чтобы поднять 1000000 кг на 1 м. При этом если 1 кг черного пороха превращался в газ за 0, 01 секунды, то 1 кг динамита – за 0, 00002 секунды. Но при всем этом качественно изготовленный динамит взрывался только от очень сильного удара. Зажженный прикосновением огня, он постепенно сгорал без взрыва, синеватым пламенем. Взрыв наступал только при зажигании большой массы динамита (более 25 кг). Подрыв динамита, как и нитроглицерина, лучше всего было проводить с помощью детонации. Для этой цели Нобель в том же 1867 году изобрел гремучертутный капсюльный детонатор. Динамит сразу нашел широчайшее применение при строительстве шоссе, туннелей, каналов, железных дорог и других объектов, что во многом предопределило стремительный рост состояния его изобретателя. Первую фабрику по производству динамита Нобель основал во Франции, затем он наладил его производство в Германии и Англии. За тридцать лет торговля динамитом принесла Нобелю колоссальное богатство – около 35 миллионов крон.

Процесс изготовления динамита сводился к нескольким операциям. Прежде всего необходимо было получить нитроглицерин. Это было наиболее сложным и опасным моментом во всем производстве. Реакция нитрации происходила, если 1 часть глицерина обрабатывали тремя частями концентрированной азотной кислоты в присутствии 6 частей концентрированной серной кислоты. Уравнение имело следующий вид:

C3H5(OH)3 + 3HNO3 = C3H5(NO3)3 + 3H2O.

Серная кислота в соединении не участвовала, но ее присутствие было необходимо, во-первых, для поглощения выделявшейся в результате реакции воды, которая в противном случае, разжижая азотную кислоту, тем самым препятствовала бы полноте реакции, а, во-вторых, для выделения образующегося нитроглицерина из раствора в азотной кислоте, так как он, будучи хорошо растворим в этой кислоте, не растворялся в ее смеси с серной. Нитрация сопровождалась сильным выделением теплоты. Причем если бы вследствие нагревания температура смеси поднялась выше 50 градусов, то течение реакции направилось бы в другую сторону – началось бы окисление нитроглицерина, сопровождающееся бурным выделением окислов азота и еще большим нагреванием, которое бы привело к взрыву. Поэтому нитрацию нужно было вести при постоянном охлаждении смеси кислот и глицерина, прибавляя последний понемногу и постоянно размешивая каждую порцию. Образующийся непосредственно при соприкосновении с кислотами нитроглицерин, обладая меньшей плотностью сравнительно с кислой смесью, всплывал на поверхность, и его можно было легко собрать по окончании реакции.

Приготовление кислотной смеси на заводах Нобеля происходило в больших цилиндрических чугунных сосудах, откуда смесь поступала в так называемый нитрационный аппарат.

Аппарат состоял из свинцового сосуда A, который помещался в деревянном чане B и закрывался свинцовой крышкой L, которая при работе замазывалась цементом. Через крышку проходили концы двух свинцовых змеевиков D, находящихся внутри аппарата (через них постоянно подавалась холодная вода). Через трубку C в аппарат подавался и холодный воздух для размешивания смеси. Трубка F отводила из аппарата пары азотной кислоты; трубка G служила для наливания отмеренного количества кислой смеси; через трубку H вливали глицерин. В сосуде M отмерялось необходимое количество этого вещества, которое затем впрыскивалось в азотную смесь посредством сжатого воздуха, впускаемого по трубке O. В такой установке можно было за раз обработать около 150 кг глицерина. Впустив требуемое количество кислотной смеси и охладив ее (пропуская холодный сжатый воздух и холодную воду через змеевики) до 15-20 градусов, начинали вбрызгивать охлажденный глицерин. При этом следили, чтобы температура в аппарате не поднималась выше 30 градусов. Если температура смеси начинала быстро подниматься и приближалась к критической, содержимое чана можно было быстро выпустить в большой сосуд с холодной водой.

Операция образования нитроглицерина продолжалась около полутора часов. После этого смесь поступала в сепаратор – свинцовый четырехугольный ящик с коническим дном и двумя кранами, один из которых находился в нижней части, а другой – сбоку. Как только смесь отстаивалась и разделялась, нитроглицерин выпускали через верхний кран, а кислотную смесь – через нижний. Полученный нитроглицерин несколько раз промывали от избытка кислот, так как кислота могла вступить с ним в реакцию и вызвать его разложение, что неминуемо вело к взрыву. Во избежание этого в герметический чан с нитроглицерином подавали воду и перемешивали смесь с помощью сжатого воздуха. Кислота растворялась в воде, а так как плотности воды и нитроглицерина сильно различались, отделить их затем друг от друга не составляло большого труда. Для того чтобы удалить остатки воды, нитроглицерин пропускали через несколько слоев войлока и поваренной соли. В результате всех этих действий получалась маслянистая жидкость желтоватого цвета без запаха и очень ядовитая (отравление могло происходить как при вдыхании паров, так и при попадании капель нитроглицерина на кожу). При нагревании свыше 180 градусов она взрывалась с ужасной разрушительной силой.

Приготовленный нитроглицерин смешивали с кизельгуром. Перед этим кизельгур промывали и тщательно измельчали. Пропитывание его нитроглицерином происходило в деревянных ящиках, выложенных внутри свинцом. После смешения с нитроглицерином динамит протирали через решето и набивали в пергаментные патроны.

В кизельгуровом динамите во взрывной реакции участвовал только нитроглицерин. В дальнейшем Нобель придумал пропитывать нитроглицерином различные сорта пороха. В этом случае порох тоже участвовал в реакции и значительно увеличивал силу взрыва.

43. РОТАЦИОННАЯ МАШИНА

Одним из замечательнейших событий в истории техники стало появление в середине XIX века скоропечатной ротационной машины, позволившей в тысячи раз увеличить выпуск печатных изданий, прежде всего газет и журналов. Это изобретение, точно так же как создание в свое время Гутенбергом первого книгопечатного станка, имело огромное влияние на все стороны жизни человечества. В самом деле, быстрое развитие образования и распространение его в широких народных массах в XVIII-XIX веках создавало громадную потребность в печатном слове, что повлекло за собой увеличение тиража книг и газет. Между тем старый печатный станок претерпел очень мало изменений с XVI века и был плохо приспособлен к тому, чтобы удовлетворить назревшую потребность. Многие типографы в XVIII веке ломали голову над тем, как увеличить его производительность и создать скоропечатную машину. Верный путь был в конце концов найден Фридрихом Кенигом, сыном небогатого прусского фермера. Пятнадцати лет он поступил учеником в типографию, и с этого времени вся его жизнь была связана с печатным делом. Еще в 1794 году Кениг сделал первое усовершенствование, создав модель печатной машины с непрерывным, при помощи зубчатых колес, подниманием и опусканием пиана (пресса). Однако прошло много лет, прежде чем ему удалось применить свое изобретение на практике. Все хозяева немецких типографий, к которым Кениг обращался за поддержкой, отвечали ему отказом. В 1806 году он перебрался в Лондон, и только здесь на его изобретение обратили внимание.

В 1807 году три лондонских типографии дали Кенигу деньги на постройку печатающей машины. В 1810 г., при помощи магистра математики Андрея Бауэра, Кениг собрал скоропечатный станок, который за счет различных улучшений в конструкции мог производить до 400 оттисков в час. Однако этого было недостаточно. Нужна была принципиально новая схема, которая позволила бы полностью или почти полностью исключить ручной труд. В старом станке, как мы помним, процесс печатания происходил при помощи ряда плоских досок, на плоский талер ставился набор при помощи плоского декеля, с плоским же рашкетом к набору, намазанному краской, прижимался плоским пианом лист бумаги. Особенно много времени уходило на намазывание набора краской – его постоянно приходилось выдвигать из-под пресса и снова задвигать на место. Сначала Кениг попытался ускорить эту операцию за счет того, что краска на набор стала наноситься с помощью специального покрасочного валика. Возможно, отталкиваясь от этой идеи, он решил и пресс сделать не плоским, а цилиндрическим в виде барабана. В этом состояла самая важная находка Кенига. В 1811 году он создал первую скоропечатную машину цилиндрического типа, в которой лист бумаги, будучи положен на цилиндр (барабан), прокатывался этим цилиндром по укрепленной на талере форме с набором, принимающим краску с вращающегося валика. Из прежних плоских досок в новой конструкции остался только талер, на который ставился набор, плотно заключенный в металлическую раму. Замена плоских поверхностей вращающимися цилиндрами позволила сразу в несколько раз увеличить производительность станка.

Машина Кенига была для своего времени настоящим шедевром инженерной мысли, тем более удивительным, что почти все операции она производила автоматически. При вращении главного колеса приходил в действие сложный механизм из целой системы зубчатых колес и зубчатых передач, двигавший в нужном направлении и в нужные моменты все работающие части машины. Основными ее узлами были покрасочный аппарат и печатающий барабан. Между ними взад и вперед двигалась тележка-талер с набором. Приняв краску от красочного аппарата, талер задвигался под печатающий барабан, который прокатывал по нему лист бумаги. Таким образом в общих чертах происходил процесс печатания.

Красочный аппарат состоял из длинного ящика с краской и нескольких валиков, последовательно передававших эту краску друг другу. Верхний металлический валик находился в самом красочном ящике. При вращении на него попадал слой краски, которую по надобности можно было выпускать из ящика в щель, делая эту щель то толще, то тоньше. С металлического валика краска подавалась на тонкий валик, который затем спускался с ней на вал, вращавшийся внизу и двигавшийся не только вокруг своей оси, но также и вдоль нее. С него краска сходила на голый металлический цилиндр, а уже оттуда попадала на два упругих барабана, которые растирали ее и распределяли по набору ровным слоем. Такое сложное устройство красочного аппарата объяснялось тем, что его функция в ускорении печатанья была очень велика. Краски на набор должно было поступать ровно столько, сколько необходимо для получения отчетливого оттиска. Ее не могло быть больше, поскольку в этом случае листки стали бы пачкать друг друга. Краска должна была хорошо растираться и распределяться по набору равномерно.

Роль печатающего барабана заключалась в том, чтобы захватить лист чистой бумаги и прокатать его по набору. На его поверхности располагались специальные захватки, которые то поднимались, то опускались, в зависимости от положения барабана. В то время, когда талер с печатной формой находился под красочными валиками, печатающий барабан оставался неподвижен и захватки его были подняты. Накладчик, стоявший на высокой скамейке, брал лист бумаги из запаса, лежащего от него по правую руку, и клал ее на косую плоскость довольно близко к цилиндру, чтобы бумага могла быть взята захватками. При движении талера назад барабан начинал вращаться. Тогда захватки наподобие пальцев накладывались на лист и увлекали его за собой. Лист бумаги обволакивал барабан и крепко прилегал к нему, прижимаемый тесемками, которые приходились на поля. Во время движения цилиндра особые иглы (графейки) прокалывали лист посередине, удерживая его от перекоса. При своем круговращении барабан проводил лист над набором, прижимая его. После того как лист принимал краску, зажимы поднимались, а тесемки переводили бумагу на другой прибор – «ракет» (приемник), представлявший из себя ряд длинных плоских пальцев; эти пальцы, после перехода на них печатного листа, поднимались и опрокидывали его на стол, где листы ложились друг на друга печатью вверх.

Тем временем талер вновь отодвигался под красочный аппарат. Чтобы при этом обратном движении набор и барабан не соприкасались, одна из сторон последнего была чуть-чуть срезана. Во время прохода талера барабан, обращенный срезами книзу, оставался неподвижен. Но когда набор становился под красочный аппарат, барабан возвращался в первоначальное положение, приоткрывая захватки для приема бумаги. Таким образом протекала работа на первой машине Кенига. После того как все листы получали оттиски на одной стороне, их вновь пропускали через машину и печатали на обороте.

Изобретение Кенига заинтересовало прежде всего владельцев крупных газет. В 1814 году Кениг собрал для типографии «Таймс» две цилиндрические машины, которые печатали со скоростью 1000 оттисков в час. Затем он изобрел машину с двумя цилиндрами, печатавшую одновременно с двух сторон листа. Заказы на нее стали поступать из разных стран. Разбогатев, Кениг в 1817 году вернулся в Германию и основал в Вюрцбурге первую фабрику по производству типографских машин. До своей кончины (в 1833 году) он успел наладить производство печатных машин, печатающих двумя красками. Компаньон Кенига Бауэр еще более усовершенствовал его изобретение. Очень скоро появились машины, в которых роль рабочего-накладчика была вовсе устранена, и бумага подавалась на цилиндры пневматическим аппаратом, который присасывал к себе край листа. После того как клапаны на барабане захватывали лист, аппарат отстранялся и автоматически подносил следующий лист. Далее было введено еще одно важное усовершенствование в виде присоединявшегося к машине фальцовочного аппарата, который при передаче в него ракетом листов фальцевал их, то есть перегибал на нужное число сгибов со скоростью печатания листов. Таким образом, работа самой сложной скоропечатной машины складывалась из следующих операций: самонакладчик автоматически подавал лист на цилиндр, затем, после напечатания одной стороны, при помощи системы тесемок лист переходил на второй, расположенный рядом цилиндр, прижимаясь к нему напечатанной стороной; этот второй цилиндр проводил лист над той же формой, на том же талере, заставлял текст отпечататься с другой стороны; после чего лист поступал на ракет; оттуда – в фальцовочный аппарат. Движущая сила машин была различна. В начале XIX века их вращали рабочие-"вертельщики"; затем стали применять паровой двигатель, движение от которого передавалось при помощи бесконечного ремня.

В середине XIX века, когда объемы печатной продукции колоссально возросли, самые быстрые скоропечатные машины, делающие 2000 оттисков в час, уже казались недостаточно производительными. Конечно, можно было поставить вторую и третью машины, но такое решение проблемы оказывалось очень дорогостоящим. Выход был найден в создании ротационной машины, в которой не осталось ни одной плоской поверхности, и даже талер был заменен вращающимся барабаном. В 1846 году англичанин Огастус Апплегат придумал первую такую машину с большим вертикальным цилиндром. На этом цилиндре с помощью перегородок устанавливался набор. Вокруг цилиндра располагались как валики для краски, так и восемь меньших цилиндров, на которые накладчики подавали листы. За один оборот большого цилиндра набор проходил мимо восьми меньших цилиндров с положенной бумагой и выдавал сразу восемь листов. В час на этой машине можно было получить 12000 оттисков (но только с одной стороны). Вплоть до 1862 года на такой машине печаталась «Таймс». Затем она была заменена более мощной машиной американца Роберта Гоэ, работавшей примерно по тому же принципу. Главный цилиндр с набором, укрепленным планками и винтами, стоял горизонтально, как в обычной печатной машине, а вокруг него располагались десять цилиндров для накладки бумаги, на которой отпечатывался текст с набора на главном цилиндре по мере протаскивания его по каждому из десяти меньших цилиндров. Главный вал машины Гоэ имел диаметр полтора метра. Накладчики бумаги стояли в пять этажей с двух сторон машины. За свои гигантские размеры она была прозвана Мамонтом.

В сущности, машина Апплегата была уже первой ротационной машиной (от rotation – круговращение), поскольку все ее главные части приняли форму вращающихся на оси цилиндров. Но она имела два существенных недостатка, замедляющих ее работу: набор, расположенный на цилиндре, не был закреплен достаточно прочно и при очень быстром вращении мог рассыпаться, а подача бумаги происходила вручную отдельными листами. Первое из этих неудобств было преодолено после изобретения стереотипа – набора, который, в отличие от прежнего, не составлялся из отдельных литер, а целиком отливался из металла. В 1856 году Джон Вальтер установил, что если мокрый картон вдавить в литеры матрицы, а затем просушить его в печи, то полученная доска из папье-маше может служить формой для отливки стереотипов. Для этого поверх набора, зажатого в стальную раму, накладывали лист особым образом приготовленного мокрого картона и жесткими щетинами били по нему до тех пор, пока шрифт не вдавливался в его поверхность. Затем раму с картоном зажимали в пресс и вдвигали в нагретый станок. Когда картон высыхал, его снимали с рамы. При этом на нем оставался вполне точный вдавленный отпечаток всего набора. Полученную таким образом матрицу помещали в отливную форму, так что она образовывала два полуцилиндра, заливали в нее расплавленный металл и получали два полуцилиндра, на каждом из которых до последней мелочи был отлит набор одной рамы. Эти полуцилиндры крепили к валу ротационной машины.

Что касается второй проблемы, то раньше других ее удалось разрешить Вильяму Буллоку, который в 1863 году создал новый тип подлинно ротационной машины, печатающей не на отдельных листах, а сразу на обеих сторонах бесконечной бумажной ленты. Рулон ее был надет на быстро вращающийся стержень. Отсюда бумажная лента поступала на цилиндр, прижимавший ее к другому цилиндру с расположенным на нем круглым, состоящим из двух полуцилиндрических, стереотипом. Итак, все основные узлы в машине Буллока были выполнены в виде быстро вращающихся цилиндров. Благодаря этому она печатала более 15000 оттисков в час. В дальнейшем была достигнута скорость в 30000 оттисков (такая машина за 3 минуты обрабатывала бумажную ленту длиной в 1 км). Но кроме скорости ротационная машина имела множество других преимуществ. Бумагу можно было пустить через несколько цилиндров и сразу печатать не только с двух сторон, но и несколькими разными красками. Например, полоса бумаги, пройдя цилиндр с основной формой для одной стороны и приняв черную краску, проходила другой цилиндр, печатавший черной краской на обороте, затем поступала к третьему – печатавшему красной краской, и так далее. Когда бесконечная полоса бумаги принимала все краски, она поступала на последний цилиндр, на котором был установлен нож, разрезавший полосу на листы. Потом разрезанные листы переходили в фальцовочный аппарат, составлявший часть машины, и здесь перегибались нужное число раз, после чего машина выбрасывала готовую сложенную газету или лист книги.