Пинбол-эффект. От византийских мозаик до транзисторов и другие путешествия во времени - Джеймс Бёрк

Вестингауз сообразил, что проблему тормозов можно решить при помощи сжатого воздуха. В 1869 году он запатентовал пневматический железнодорожный тормоз, который в модифицированном виде используется и в современных поездах. В этой автоматической системе через весь состав проходит магистраль со сжатым воздухом, а каждый вагон оборудован запасным воздушным резервуаром. Давление воздуха удерживает в отведенном положении поршень тормозного цилиндра. Как только давление в этой системе падает, при штатном торможении или в случае аварии, поршень отпускается и приводит в действие тормозные колодки. Изобретение имело оглушительный успех. К 1876 году тормоза Вестингауза были установлены на 15 569 локомотивах и 14 055 вагонах. Остановочный путь оборудованного такой системой поезда весом сто три тонны на скорости сорок восемь километров в час составлял всего сто пятьдесят метров — в три раза короче, чем у поездов с тормозами прежнего образца.

Благодаря своему изобретению Вестингауз познакомился с одним гением из Хорватии, который каждую неделю надевал новый красно-черный галстук, использовал носовые платки только по одному разу и выбрасывал, ненавидел бильярдные шары и квартировал в гостиничном номере вместе с голубями. Однако к нему мы вернемся позже. Тормоза Вестингауза резко сократили вероятность крушений, и поезда стали ходить быстрее и чаще. Теперь было важно обеспечить должный контроль движения на железных дорогах. В 1880 году Вестингауз начал скупать патенты систем сигнализации, а в 1882 году в Питтсбурге основал компанию «Юнион сигнал энд свитчинг»181 — 26, 74. Для передачи сигналов вдоль железнодорожной трассы он попробовал было использовать сжатый воздух, но трубы замерзали на морозе. Выходом из положения стало электричество — по задумке инженера, электрический ток приводил в действие клапан, и сигнал подавался сжатым воздухом.

Так Вестингауз занялся передачей электричества. Главной проблемой в этом деле был постоянный ток. В 70-е годы XIX столетия электричество вырабатывалось при помощи якорного кольца, обвитого медной проволокой, которое вращалось между полюсами магнита, представлявшего собой железный брусок, также обвитый проволокой. В такой самовозбуждающейся динамической системе (отсюда термин «динамо-машина») вращение якоря вызывает ток в навитой на брусок проволоке, и брусок становится магнитом — возникает магнитное поле. Поскольку якорь во время вращения пересекает разнонаправленные силовые линии магнитного поля, его обмотка генерирует электрический ток то в одном, то в другом направлении. Для преобразования такого тока использовался выпрямитель, который поочередно снимал с обмотки разнонаправленный ток и подавал в выходную цепь постоянный однонаправленный ток.

Сложность заключалась в том, что постоянный ток низкого напряжения (например, для осветительных лампочек) можно было передавать по толстому и дорогому медному проводу всего на километр с небольшим, то есть с таким интервалом на линии электропередачи нужно было устанавливать дополнительные генераторы. Без выпрямителя генератор давал переменный ток, который при высоком напряжении передавался по тонкому проводнику на большое расстояние. Если бы напряжение (условно говоря, «давление») генерируемого тока можно было бы повысить посредством трансформатора, а в точке потребления снова понизить, то географические ограничения на передачу тока были бы сняты. Ток можно было генерировать не только при помощи катушек (они часто разрушались от быстрого вращения), но и с использованием магнитов. Таким образом, задача состояла в том, чтобы найти источник энергии для вращения магнитов с очень большой скоростью, которая необходима для генерирования тока высокого напряжения.

В 1888 году Вестингауз встретил того самого любителя голубей из Хорватии, Николу Теслу, который как раз придумал такой генератор переменного тока. Его идея была блестящей. Если на две или несколько наборов катушек подать ток в виде отдельных последовательных импульсов, ток в них будет не совпадать по фазе. При каждом импульсе тока образуется серия последовательных магнитных полей, которые и вращают магнит, причем теоретически с неограниченной скоростью. В 1895 году Вестингауз на основе изобретения Теслы спроектировал целую генерирующую систему, которая победила в конкурсе для электростанции на Ниагарском водопаде.

Генератор Теслы, как выяснилось, был именно тем, чего так ждали капитаны американского флота в начале Первой мировой войны. Технологии металлургии развивались, и Англия стала строить корабли нового типа — тяжелые линкоры, первым из которых был «Дредноут», спущенный на воду в 1906 году. Дредноуты — первые корабли, оснащенные паротурбинными двигателями, которые несли на борту только тяжелые орудия. Новым словом в оружейном деле стала конструкция ствола с внутренней навивкой из стального троса. Она позволяла удлинить ствол, что было важно для прицельной стрельбы новыми снарядами с медленногорящим порохом. Поршневые амортизаторы отката новых орудий гасили отдачу и облегчали перезарядку с казенной части, а бездымный порох не выдавал положение судна и не заслонял артиллеристам цель.

К 1917 году флот США располагал дредноутами «Делавэр», «Юта», «Южная Дакота», «Флорида», «Арканзас» и «Вайоминг» водоизмещением 226 тысяч тонн каждый, которые были оснащены носовыми и кормовыми 15-дюймовыми орудиями. Пушки стреляли 500-килограммовыми снарядами на расстояние свыше двадцати километров. Поскольку малейшее отклонение при такой дальности означало промах, критически важным фактором становилась точность наведения. К счастью, решение этой проблемы уже существовало и придумал его нью-йоркский инженер и предприниматель Элмер Сперри — он создал высокотехнологичный вариант одной известной детской игрушки182 — 120 и безуспешно пытался пристроить свое изобретение в цирк Барнума и Бэйли (для номера с канатоходцем и тележкой). Вскоре, в 1912 году, Сперри уже устанавливал свои «игрушки», весом в несколько тонн, на океанские корабли, в частности на итальянский круизный лайнер «Граф Савойский», который был одним из самых лучших кораблей своего времени по плавности хода.

Чудесным изобретением Сперри был гирокомпас. Он действовал по принципу детского волчка и состоял из диска ротора, вращающегося в трех плоскостях в кардановом подвесе. Вследствие инерции маховик всегда сохранял то положение, в котором был раскручен. Стальные корпуса новых военных кораблей делали использование обычного магнитного компаса невозможным, так что изобретение Сперри пришлось как нельзя более кстати. Благодаря мотору Теслы маховик гирокомпаса можно было поддерживать в раскрученном состоянии практически бесконечно.

Суда оснастили целой системой гирокомпасов, главный из которых обеспечивал точную работу всех остальных. На основе показаний гирокомпасов специальные прицеливающие устройства точно определяли взаимное расположение корабля и цели, указывая стрелкам направление огня. Гиростабилизаторы улавливали движения судна при качке и позволяли компенсировать положение орудий, таким образом, корабль даже в неспокойном море мог вести прицельный огонь. Из оборудованных такими приборами пушек моряки линкора «Южная Дакота» сбили все атаковавшие их самолеты.

Гирокомпас Сперри был вторым из трех изобретений этой главы, так или иначе вызванных открытием вакуума. Третьим изобретением мы обязаны тому, что исследования вакуума породили интерес к воздуху — ученые задались вопросом, что же такое воздух и почему он необходим для жизни. Дыхание живых организмов в любом его проявлении стало объектом пристального внимания членов Лондонского королевского общества. Одним из них был священник с кембриджским дипломом Стивен Гейлз, проживавший в Теддингтоне, пригороде Лондона. В 1709 году он получил пожизненную должность настоятеля прихода Святой Марии. Заботиться о хлебе насущном уже не требовалось, и все свободное время Гейлз посвящал своим научным увлечениям, а именно выяснению двух вопросов: как дышат растения и почему движутся мышцы. Он был убежден, что в основе обоих феноменов лежит циркуляция жидкостей в организме растения или животного, так что начал он с исследования растительных соков.

У себя в теплице он в течение десяти лет втыкал в различные части растений стеклянные трубки и наблюдал, как по ним поднимается сок и каким образом на этот процесс влияет смена дня и ночи и времен года, а также погодные условия. Гейлз замерял площадь листьев и диаметр стеблей, поливал растения точно отмеренным количеством воды и, запечатав горшок, через некоторое время взвешивал его, чтобы определить сколько воды потеряло растение в результате транспирации и испарения. С помощью стеклянной трубки с водой и ртутью он определял точное количество воды, которое потребляет растение. Самым интересным было давление растительного сока. В ходе одного из опытов Гейлз подсоединил стеклянную трубку к пеньку виноградной лозы и увидел, что сок поднялся по трубке аж на семь метров. Какая сила обеспечивала такое давление? Не та ли, что толкала кровь по сосудам животных и человека?