Текст книги "Американские ученые и изобретатели"

Автор книги: Митчел Уилсон

сообщить о нарушении

Текущая страница: 4 (всего у книги 17 страниц)

Хлопковая лавина

Изобретатель обычно жалуется на то, что его машине не дают ходу. Уитни жаловался как раз на обратное. Прежде чем он успел завершить первый образец машины и получить патент, созрел хлопок, который поспешно посеяли плантаторы. Урожай поджимал, так что плантаторам было не до высоких принципов закона и этики, и они без зазрения совести копировали машину Уитни.

Уитни предложил Миллеру стать его компаньоном. Они договорились, что Уитни отправится в Нью-Хэвен, получит патент и начнет делать машины. Миллер же останется на Юге и договорится с плантаторами об условиях пользования машинами. Поскольку не существовало никакого прецедента, компаньоны не знали, как построить отношения с плантаторами. Сначала они решили не продавать машины, а отдавать их в аренду за определенный процент от доходов. Они и не подозревали, что увлечение хлопком примет столь эпидемические размеры и что при такой системе оплаты они смогут зарабатывать миллионы долларов в год. Миллер хотел брать с плантаторов одну меру хлопка за три обработанные меры. Это вызвало ярость плантаторов. Хлопок – культура, выращивание которой не требует большого труда, – белым потоком извергался из земли и угрожал затопить все.

Первая модель хлопкоочистительной машины Уитни.

К тому времени, когда Уитни и Миллер готовы были продать права на машину или довольствоваться лишь скромной частью доходов, которые получали от украденного изобретения «пираты», сумма, причитающаяся Уитни, достигла астрономической цифры. Между тем компаньоны уже завязли в долгах, и им ничего не оставалось делать, как подать в суд. Но суды, в которые они обращались, находились в хлопковой зоне. Наконец, в 1801 году, через восемь лет после начала хлопковой лихорадки, Уитни и Миллер готовы были довольствоваться единовременной уплатой определенной суммы каждым из хлопковых штатов. После этого хлопкоочистительная машина становилась общественной собственностью в границах данного штата. Даже такое выгодное условие принял всего один штат, да и тот предложил уплатить меньше половины запрошенной цены. Уитни назначил цену в 50 тысяч долларов, но получил только 20 тысяч.

На следующий год правительство штата Северная Каролина, последовав этому примеру, хотя в несколько иной форме, обложило всех плантаторов, использовавших хлопкоочистительные машины, налогом. Все собранные деньги, за вычетом 6 процентов комиссионных, были переданы Уитни и Миллеру. Это составило 20 тысяч долларов. Штат Теннесси уплатил 10 тысяч долларов, еще 10 тысяч долларов было получено от других штатов. Общий доход составил 90 тысяч долларов. Большая часть этой суммы пошла на покрытие судебных издержек и других долгов. В 1803 году штаты порвали это соглашение и потребовали через суд от Уитни вернуть все деньги, уплаченные ему и его партнеру. В том же 1803 году плантаторы заработали около 10 миллионов долларов на продаже хлопка. Цена на рабов возросла в два раза, и совесть уже не мучила плантаторов. Обещания предоставить рабам свободу были забыты.

Изобретение хлопкоочистительной машины впервые сделало рабство действительно выгодным, и в течение двух лет цены на рабов выросли вдвое. Хотя ввоз рабов был запрещен законом 1808 года, контрабандисты продолжали работорговлю во все увеличивающихся масштабах.

В середине века раба, купленного за 15 долларов в Африке, продавали в Америке за 1500 долларов. На рисунке изображен план размещения партии рабов на французском 90-футовом бриге «Вижилант».

В следующем, 1804 году Уитни обратился к федеральному конгрессу с просьбой о помощи и большинством в один голос был спасен от полного банкротства. У него не осталось ни пенса, его патент не имел никакой цены. Ему было тридцать девять лет, и последние десять лет он почти целиком провел в судебных залах или в разъездах по стране из одного суда в другой.

Теперь он навсегда покончил с хлопком, хлопкоочистительными машинами и с Югом.

Вернувшись в Нью-Хэвен, Уитни решил начать новую жизнь. Он не знал еще, какой путь избрать. Ему предстояло вступить в новый период своей жизни, который не принес ему громкой славы, но оказался более плодотворным, чем предшествующий. Некогда Уитни изменил облик Юга, теперь ему было суждено преобразить Север. Он заложил основы и изобрел оборудование для системы, ставшей известной как «американский способ производства».

Уитни преобразил Север

В молодой американской республике была всего небольшая горстка опытных механиков. Уитни лучше других знал, как ничтожно их число. Поэтому он изобрел вещь, значительно более важную, чем любая машина. Он открыл новую систему производства, благодаря которой необученный рабочий мог производить предметы, равные по качеству предметам, изготовленным самым искусным и опытным механиком. Впервые он применил эту систему при производстве ружей. У него не было ни фабрики, ни машин, тем не менее он убедил правительство США передать ему заказ на изготовление 10 тысяч мушкетов стоимостью 13 долларов 40 центов каждый. Срок исполнения заказа был определен в два года. Только престиж Уитни – изобретателя хлопкоочистительной машины мог заставить правительство сделать такой рискованный шаг. Другого человека, похваставшего, что за два года он изготовит 10 тысяч ружей, сочли бы сумасшедшим.

До сих пор ружье от приклада до ствола изготовлялось вручную; детали одного ружья не соответствовали по размерам деталям другого, да и никто не стремился к такой точности. Уитни пришло в голову делать все части ружей машинным способом и настолько точно, чтобы каждая деталь одного ружья могла быть заменена такой же деталью любого другого. Он добился этого, сконструировав новое ружье. Для каждой детали изготовили лекало, игравшее ту же роль, что и выкройка для платья. Рабочий по лекалу вырезал из металла части ружья.

Уитни нужно было изобрести машину, при помощи которой можно было бы резать металл. Металлическая пластина крепилась на верстаке. Лекало накладывалось на пластину сверху, и режущий инструмент двигался по очертаниям лекала. Обычно в таких целях употреблялся резец, но резец требовал от рабочего специальных навыков. Уитни же использовал железное колесо с зубцами по краям, напоминавшее шестерню. Однако грань каждого зубца была слегка изогнута, заточена и закалена. При вращении колеса зубцы поочередно вступали в работу. Каждый из них действовал как резец. Все зубцы вгрызались в металл с одинаковой силой, поэтому колесо обладало свойством ровно разрезать металл. Таким колесом обводились очертания лекала, укрепленного на металлической заготовке. Для этой операции от рабочих не требовалось высокого мастерства или особых навыков.

Хотя металлорежущий инструмент играл второстепенную роль во всей системе, сам по себе он представлял важнейшее открытие. Эта машина была названа фрезерным станком и в течение полутора веков использовалась без каких-либо принципиальных изменений. Для различных операций Уитни сконструировал множество видов фрезерных станков. Еще до того, как на его фабрику пришли рабочие, Уитни вычертил и изготовил все оборудование, необходимое для его метода производства.

Друзья Уитни в Нью-Хэвене собрали для него 30 тысяч долларов. Он сам получил в Нью-Хэвенском банке ссуду в 10 тысяч долларов. Общая стоимость заказа равнялась 134 тысячам долларов, что делало его крупнейшей финансовой сделкой в стране. В конце первого года Уитни только еще приступил к производству, что само по себе являлось примером величайшей храбрости, но вместо 4 тысяч мушкетов, которые он обещал изготовить к этому времени, у него имелось всего 500. Комиссия, приехавшая из Вашингтона, представила неблагоприятный доклад, и у тех, кто финансировал Уитни, озабоченно вытянулись лица.

На фабрике Уитни впервые была применена техника массового производства. Точные механизмы с силовым приводом, как например, изображенный на рисунке справа сверлильный станок, использовались для изготовления взаимозаменяемых деталей ружей. Слева изображен изобретенный Уитни первый фрезерный станок, действительно заслуживающий этого названия. Он имел многолезвийный режущий диск и подвижный стол, приводившийся в движение при помощи червячной передачи.

Уитни потребовалось восемь лет, чтобы полностью выполнить заказ, потому что практика открывала многие недочеты в его системе. Количество деталей казалось бесконечным. Однако большая часть всех ружей была произведена в течение двух последних лет. В 1811 году Уитни получил новый заказ на 15 тысяч ружей и выполнил его в два года.

Уитни был человеком большого размаха. После истории с хлопкоочистительной машиной у него могли бы опуститься руки – оснований для этого было достаточно, но его сжигало пламя творчества. Его письма к Фултону полны горечи и незабытых обид, но это была злость борющегося человека. Уитни был хорошим, верным другом. Подчас он разбазаривал свой талант, но делал это как настоящий художник.

Подобно Гамильтону, он верил, что фабрика послужит на благо Америки. Он не презирал людей, работавших на его фабрике. Он был идеальным хозяином, установившим образец отношений предпринимателя и рабочих. Но это это открытие было забыто намного раньше остальных. Уже через десять лет после его смерти американская фабрика стала превращаться в нечто совершенно отличное от замысла Уитни.

Те же силы, что сокрушили Уитни во время хлопковой лавины, теперь поглощали американскую фабрику.

Джозеф Генри

Человек, которого не признали современники

Весной 1837 года в одной английской лаборатории ученые попытались поставить опыт, на который они сами не возлагали особых надежд: они хотели проверить, можно ли вызвать электрическую искру из термопары. Один конец термопары был вставлен в кусок льда, другой лежал на раскаленной докрасна печке. Чарльз Уитстон соединил два куска проволоки, замкнув цепь. Искры не получилось. Майкл Фарадей заявил, что Уитстон делает это не так, как нужно, и сам проделал опыт в ином варианте. Но искры все же не было.

Тогда третий ученый – американец, приехавший в Англию – стал наматывать на палец проволоку плотной спиралью. Через несколько минут он объявил, что как только уважаемые коллеги будут готовы, он с удовольствием покажет им, как вызвать искру. Затем он просто присоединил эту маленькую спираль, надетую им на небольшой железный стержень, к одному из проводов термопары. На этот раз при соединении концов проволоки можно было совершенно отчетливо видеть искру.

Фарадей восхищенно зааплодировал и воскликнул:

– Ура эксперименту янки! Но что же вы такое сделали?

И Джозефу Генри пришлось объяснять самоиндукцию ученому, который был известен на весь мир, как человек, открывший индукцию.

Век с четвертью и целая эпоха в области знаний отделяли электростатику Франклина от электродинамики Кларка Максвелла. И большая часть этих знаний была добыта одним человеком – Джозефом Генри за каких-нибудь пятнадцать лет: с 1829 по 1844 год. Большинство современников Генри не могло оценить как следует и малой доли его огромного вклада в науку. И все же теперь его исследования стоят в ряду величайших научных открытий.

Он сам выбрал себе роль чужака среди людей. Его друзья ошибочно принимали его научный идеализм за отсутствие истинно американского духа. Мировая наука не признавала его потому, что он был американцем. И лишь после смерти Генри, когда современников его юности давно уже не было в живых, люди, никогда не знавшие его, наконец поняли, что это был гигант, жизнь, работа и смерть которого прошли незаслуженно незамеченными. Люди поняли, что той славой, которая пришла к нему, он был обязан далеко не самым важным из его работ.

В конце концов наука воздала ему должное и возвела его на самый почетный пьедестал, написав его имя с маленькой буквы: Генри стал генри, наряду с ампером, вольтом, фарадой.

В 1820-х годах люди предполагали, что лучшей иллюстрацией связи электричества и магнетизма может служить следующий пример. Крохотную бумажную лодочку длиной в один дюйм помещали в чашу с водой. В лодке находилась намагниченная игла. В центр сосуда в воду спускался нижний конец подвешенного сверху провода. Когда по проводу пускали электрический ток, бумажная лодка с магнитом начинала медленно плавать вокруг провода, описывая совершенно правильные круги. При усилении электрического тока лодка-магнит двигалась быстрее. Вывод был таков, что постоянный ток создавал вокруг себя концентрическое магнитное поле. О магнитном поле говорили, что оно индуцировано, наведено. Чем сильнее ток, тем интенсивнее индуцированное магнитное поле..

Джозеф Генри, школьный учитель математики в маленьком городишке неразвитой страны, задал себе такой вопрос: если электричество может вызывать магнетизм, то почему бы магнетизму в свою очередь не вызывать электрический ток? Он не только нашел ответ, но и далеко опередил всех предшественников глубиной своих исследований.

В юные годы Генри ничто не указывало на его исключительные способности и интерес к науке. Он вырос в нищете, недалеко от Олбани, богатого тихого городка, который не захватила волна переселения на Запад. Мечтательный мальчик, едва умевший читать, был батраком на ферме, потом учеником в лавке. Однажды, когда ему было тринадцать лет, он в погоне за убежавшим кроликом попал в подземный ход под церковью. Выбравшись наверх, мальчик очутился в запертой комнате, где была целая библиотека увлекательных романов. Он забыл о кролике и принялся читать книги, одну за другой.

Четырнадцатилетний мальчик был настолько увлечен высокими романтическими чувствами, что, попав в следующем году в Олбани, куда его послали зарабатывать себе на жизнь, тотчас же направился прямо в театр Грин Стрит, где в это время великий Джон Бернард руководил своей знаменитой труппой. В течение двух лет Джозеф Генри, необычайно красивый, очень высокий для своего возраста, был старательным, способным учеником «здоровенных детин в саженных париках, которые рвут перед вами страсть в куски и клочья»[3]3
  «Гамлет», акт 3-й.


[Закрыть].

В шестнадцать лет он сделал для себя второе великое открытие. Однажды он так заболел, что не смог пойти в театр. Томясь от скуки, он невзначай раскрыл книгу, оставленную другим жильцом. Даже на склоне лет он помнил наизусть абзац, которым начиналась первая страница: «Вы бросаете камень или пускаете стрелу в небо. Почему они не летят все время в том направлении, куда вы их послали? И почему, наоборот, пламя или дым всегда устремляются вверх, хотя к этому их не принуждает никакая внешняя сила?» Джозеф Генри открыл для себя мир науки.

В мелочах Генри никогда не был решительным. Однажды, заказав пару башмаков, он изо дня в день менял фасон, не зная, какой выбрать носок – круглый или квадратный. Выведенный из себя сапожник сделал один носок круглым, а другой квадратным. Однако важные решения Генри принимал, не колеблясь. Без всякой подготовки он решил пойти на сцену. Теперь он внезапно решает стать физиком, будучи еще менее подготовленным в этой области.

Генри пришел в Академию города Олбани и заявил, что хочет стать студентом. К счастью, он был таким талантливым, что все, о чем он мечтал, стало явью. За семь месяцев вечерних лекций и дополнительных занятий он впитал в себя достаточно знаний, чтобы получить место учителя в сельской школе. Теперь он имел средства для того, чтобы учиться дальше. Работа в школе и посещение занятий в Академии поглощали более шестнадцати часов в день, но Генри поистине наслаждался такой жизнью.

Позже он бросил работу в школе и уговорил доктора Бека, профессора химии, взять его в качестве помощника, который демонстрирует опыты во время публичных лекций. В новой работе ему помогала сценическая подготовка: благодаря ей он сумел сделать все опыты доходчивыми, убедительными и даже, насколько это позволяла обстановка, театральными. Здесь он приобрел быстроту и четкость в работе, которыми позднее отличались его собственные опыты.

Закончив курс обучения в Академии, Генри получил место инспектора и инженера на канале Эри. Дни нищеты, казалось, остались позади, и перед ним открылась широкая дорога в будущее. Повсюду – от портов Востока до далеких гор Висконсина – не было места, где бы человек, подготовленный так, как Генри, не мог разбогатеть. Однако он проработал на каналах всего несколько месяцев. Ему предложили должность профессора математики и физики в Олбани. Понимая, что страна нуждается в знающих преподавателях еще более остро, чем в инженерах, Генри нехотя принял этот пост.

За несколько месяцев работы Генри инженером штат Нью-Йорк выплатил ему 2083 доллара. То, что он сберег из этой суммы, и страховой полис на 4000 долларов – вот все, что он оставил после своей смерти в 1878 году, хотя за свою жизнь ему не раз приходилось распоряжаться миллионами долларов из общественных средств.

Генри получает электричество с помощью магнетизма

Электромагнит, построенный Генри и способный поднять груз весом в тонну. На подковообразный магнит из мягкого железа было намотано большое количество витков изолированной проволоки, Ток от гальванической батареи Ьс превращал подкову в магнит, и она притягивала плоскую железную плиту, называемую якорем. К якорю была подвешена платформа, на которую можно было поместить известный груз.

Когда в 1826 году Джозеф Генри возвратился в Олбани, самым ценным из того, что он привез с собой, было основное качество великих исследователей – способность воплощать любую идею в простые и ясные формы. Его логика работала со скоростью интуиции.

Генри был загружен преподавательской работой, и единственным временем, которое он мог выкроить для исследований, были каникулы, когда ему разрешалось превратить один из классов в лабораторию. Первое, что он сделал, – приступил к созданию электромагнитов, сконструированных Стодженом и действующих на принципе Араго и Эрстеда. На стержень из ковкого железа, покрытого шеллаком, свободно наматывался голый провод. Когда электрический ток проходил по проводу, стержень намагничивался. Стоджен в своих опытах согнул железный стержень в виде подковы, и когда он включал электрический ток, электромагнит поднимал в воздух 7 фунтов металла. При выключении тока металл столь же эффектно падал.

Однажды летом в классной комнате Генри построил магнит, который мог поднимать груз весом в целую тонну. Эта установка была в 300 раз мощнее, чем у Стоджена. Вместо изоляции железа, как это было у Стоджена, Генри изолировал провод, что позволило ему уместить огромное число витков провода на очень небольшом пространстве. Генри описал установку в «Американском научном журнале», который издавал Силлимэн в Йеле. Но заграницей никто статьи не читал.

Создавая чрезвычайно мощные магниты, Генри задумался над проблемой получения электричества с помощью магнитного поля. Он установил, что все исследователи до него заблуждались, считая, что постоянный электрический ток индуцирует постоянное магнитное поле. Поэтому их поиски и были направлены на то, чтобы с помощью постоянного магнитного поля индуцировать ток. Его предшественники обычно делали один и тот же опыт: наматывали провод на кусок намагниченного железа, а затем соединяли его концы в надежде получить искру.

Генри открыл, что правильное решение состоит в том, чтобы как раз не пользоваться постоянным током, а создать переменное поле. Оказывается, можно вызвать электрический ток в замкнутом витке проводника и просто водя магнитом возле провода.

Он пошел дальше. Сначала, пропустив электрический ток через провод, он создал вокруг провода магнитное поле. Затем, меняя ток, заставил колебаться и магнитное поле. Второй провод, помещенный рядом с первым, таким образом, уже находился в переменном магнитном поле, и в этом проводе индуцировался ток, хотя он и не был подключен к какой-либо батарее. Простым изменением тока в одном проводнике Генри смог индуцировать ток в другом, хотя эти два проводника не соединялись между собой.

Вся эта работа и некоторые другие были проведены в свободные летние месяцы в течение ряда лет вплоть до 1831 года. Однако Генри не хотел публиковать результаты своих работ, пока у него не накопится достаточно большого количества научно подтвержденных фактов. Всю свою остальную жизнь Генри пришлось сожалеть о том, что он не торопился опубликовать результаты своей работы. «Мне следовало напечатать все это раньше, – грустно говорил он своим близким друзьям. – Но у меня было так мало времени! Хотелось свести полученные результаты в какую-то систему. И откуда мне было знать что кто-то другой по ту сторону Атлантического океана занимается той же проблемой?»

Генри обнаружил, что в замкнутой проволочной катушке можно вызвать индуцированный ток, просто двигая рядом с катушкой магнит.

Когда движение магнита прекращалось магнитное поле становилось стационарным, и электрический ток исчезал. Генри предположил, что если движущийся магнит может вызывать ток в проволоке, то и одна катушка проволоки может вызвать ток в другой.

Так был открыт принцип трансформатор сделавший возможным применение электрической энергии.

На рисунке гальванический элемент (справа) питает током верхнюю катушку. Ток, индуцированный в нижней, большей катушке, отклоняет стрелку гальванометра (слева).

В мае 1832 года изобретателю был нанесен тяжелый удар. Будучи еще в полной уверенности, что своей огромной работой он на многие годы опередил научный мир, Генри случайно раскрыл журнал и прочитал два абзаца, которые совершенно подкосили его. Никого он не опередил на годы. Другой человек, совершенно независимо от него, проделал те же самые исследования. Эти два абзаца были напечатаны под рубрикой: «Труды Королевского общества». Они начинались так:

«17-го февраля. Господин Фарадей сделал отчет о первых двух разделах его исследований в области электричества, а именно, о вольта-электрической и магнитно-электрической индукции».

Заканчивалась статья следующими словами: «Если перемещать магнит вблизи проводника, не подключенного к источнику электрической энергии, то в последнем индуцируется электрический ток, который легко обнаружить».

Статья Фарадея, напечатанная в 1832 году, была основана на результатах, полученных им лишь минувшей осенью, и, хотя Генри во многом опередил Фарадея, он решил, что теперь уже нет смысла публиковать результаты своей работы. Он был на грани отчаяния. Однако профессор Силлимэн из Йеля настойчиво уговаривал Генри написать статью для его журнала. Наконец, Генри начал целую серию статей, которые должны были принести ему все, о чем он раньше мог лишь мечтать. Но полное признание пришло к нему только, после смерти.

Первая статья появилась в печати в июле того же года. Она начиналась с утверждения, что, несмотря на открытия Эрстеда, Араго и Ампера, никому не удалось вызвать электрический ток с помощью магнетизма.

«Имея в виду достичь этого, я и начал опыты, – писал он, спрятав глубокое разочарование за подчеркнутой беспристрастностью. – Тем временем цель, к которой я стремился… была достигнута господином Фарадеем из Королевского общества».

Затем он изложил работу Фарадея и описал собственные опыты, ограничившись очень краткими косвенными намеками на то, что первооткрывателем был все-таки он.

Прибор Генри состоял из двух катушек, ничем не соединенных между собой. Одна из них с магнитом внутри была включена в замкнутую цепь с батареей. Другая катушка, для которой первая служила якорем, соединялась лишь с гальванометром. Она не имела никакого источника питания.

«Я встал около гальванометра, и по моему сигналу ассистент… подключил батарею к якорю. Северный конец стрелки гальванометра отклонился на 30 градусов, указывая на наличие тока в катушке, в которую вставлялся якорь…» Иными словами, ток возникал в том проводнике, который не был подключен ни к какому источнику электрической энергии. Однако тут же Генри ожидало разочарование, ибо стрелка гальванометра возвратилась в нулевое положение, хотя в катушке вокруг магнита еще шел ток. Генри дал знак своему ассистенту выключить этот ток. К его великому удивлению, в тот момент, когда ток был выключен, стрелка гальванометра прыгнула опять, но уже в другом направлении.

Теперь, оглядываясь назад, нетрудно объяснить случившееся: когда электрический ток пошел по катушке с магнитом, магнитный поток в якоре изменился от нуля до своего максимального значения. Это мгновенное изменение магнитного потока индуцировало электрический ток в наружной катушке. Когда ток в магнитной катушке внезапно прекратился, величина магнитного потока в якоре опять упала до нуля. И тем самым еще раз был дан импульс току в наружной катушке.

Генри сделал следующий вывод из этого явления: «Мгновенно возникающий в том или другом направлении ток сопровождает каждое изменение степени намагниченности железа…»