6.5: Промислова революція

Промислова революція займала вісімнадцятий-дев'ятнадцятий століття. Це був час широких технологічних змін, більшість з них розроблялися інженерами. Основним аспектом промислової революції є те, що потужність машини замінила людську та тваринну силу. Наприклад, були розроблені парові машини для перекачування води з шахт, замінюючи насоси, що працюють на людському або тваринному двигуні. Також, під час промислової революції, галузь машинобудування продовжила перехід від застосування емпіричних правил до застосування зростаючого набору знань з науки і математики. Під час промислової революції звичні інженерні дисципліни (зокрема цивільне будівництво та машинобудування) почали виникати як ідентифіковані спеціалізації.

Під час промислової революції було зроблено багато технічних досягнень. Ми коротко розглянемо п'ять досягнень у цьому розділі: розробки точного годинника для вимірювання довготи, парові двигуни, автоматичні машини для створення текстилю, механічний друк та парові транспортування. Хоча під час промислової революції було багато інших технологічних досягнень, вони дають огляд різних процесів і технологій, які стали важливими в цю епоху.

Вимірювання довготи

Довгота - відстань на схід або захід від простого меридіана, уявної лінії північ-південь, яка проходить через Грінвіч, Англія. Вимірюється в градусах, причому позитивні довготи знаходяться на схід від простого меридіана, а негативні - на захід від простого меридіана. Вимірювання довготи (поряд з вимірюванням широти) є важливою складовою навігації. Це було особливо важливо в 1700-х роках, оскільки європейці досліджували решту світу і намагалися скласти точні карти та діаграми. Це було також важливо для суден, які поверталися з далеких плавань; якщо капітан судна неправильно знав положення корабля, корабель міг сісти на мілину на рифи або скелі; багато корабельних аварій сталося саме з цієї причини.

Правильне визначення довготи було дуже складною проблемою, враховуючи технологічні можливості початку 1700-х років. Він вважався настільки складним, але настільки важливим, що в 1714 році британський парламент прийняв законодавство, яке створило Правління довготи. Рада довготи запропонувала приз у розмірі 20 000 фунтів стерлінгів (значний стан на той час) кожному, хто міг розробити точний метод визначення довготи.

Найпростішим методом визначення довготи є визначення різниці між часом у поточному місці та часом у відомому місці (зазвичай простий меридіан у Грінвічі, Англія). Для того, щоб знати час в Грінвічі, треба мати дуже точний годинник, який був встановлений на час Грінвіча. Тоді, коли хтось подорожує, годинник завжди повідомляє час у Грінвічі. Таким чином, один підхід, і той, який в кінцевому підсумку був успішним у виграші довготи приз, полягає в розробці надзвичайно точного годинника.

Джон Харрісон (1693—1776) був англійським годинником, який у серії з п'яти конструкцій розробив годинник, досить точний, щоб виграти премію Довготи (хоча повна сума призу насправді ніколи не була присуджена йому). Його годинник повинен був підтримувати точний час тривалих морських подорожей, на яких температура, атмосферний тиск і вологість різко змінювалися. Він розробив кілька різних геніальних механізмів в складі годинника. Один називався втечею коника. Втеча - це механізм, який перетворює розмах маятника в поворот шестерні на певну величину для кожного гойдалки; шестерня в свою чергу приводить в рух механізм, який рухає стрілки годинника. Іншим механізмом, придуманим Харрісоном, був сітчастиймаятник; він був розроблений таким чином, щоб довжина маятника не змінювалася, оскільки металеві стрижні, з яких виготовляється маятник, розширюються або стискаються через зміни температури.

Розробка Джона Харрісона свого хронометра пупка була мотивована премією Довготи. Оскільки його ранні проекти показали обіцянку, він отримав фінансування від годинникаря та від Ради довготи для подальшого їх розвитку. Він так і не отримав повну суму призу. На кількох рейсах його годинники зберігали час досить точно, але у Board of Longota виникли побоювання, що точність, продемонстрована його хронометрами, була обумовлена удачею і не повторювана. На зображенні (малюнок нижче) показаний останній з хронометрів, які розробив Гаррісон.

Розробка морського хронометра Джоном Харрісоном є прикладом окремої особистості, що працює більш-менш самостійно, який зміг розробити технологію, необхідну для вирішення значної суспільної проблеми. Незважаючи на те, що його технічні досягнення були зроблені насамперед як індивідуальність, на його роботу значно впливало суспільство, в якому він жив. Його винаходи продовжували кардинально впливати на майбутнє морського судноплавства.

H5, останній з серії морських хронометрів, винайдених Джоном Харрісоном, щоб виміряти час досить точно, щоб обчислити довготу.

Істотні призи для мотивації прогресу в технологічній проблемі часто пропонувалися в недавньому минулому. На початку 1900-х років газета Daily Mail оголосила і нагородила багато призів за перші події в авіації; вони включали перший політ через Ла-Манш в 1909 році і перший політ через Атлантичний океан в 1919 році. Премія Ansari X запропонувала 10 мільйонів доларів для першої неурядової організації, яка запустила пілотований космічний корабель у космос; цей приз був виграний 4 жовтня 2004 року SpaceShipOne. З тих пір Фонд X Prize створив кілька інших призів за геноміку, автомобільні та космічні досягнення; їх ще належить виграти. Агентство перспективних дослідницьких проектів оборони (DARPA) створило грандіозний виклик у 2004 році, в якому транспортні засоби без водіїв людини повинні орієнтуватися на все більш складні курси; Команди-переможці в 2005 та 2007 роках отримали призи в розмірі 2 мільйони доларів.

Парові двигуни

Однією з основних технологічних змін, що почалися під час промислової революції, була заміна води, вітру, людини та тварин енергією машин. Це вперше сталося при розробці парової машини. Паровий двигун спочатку розроблявся для відкачування води з вугільних і металевих шахт. (Вода, зібрана в шахтах, коли вони були затоплені нижче рівня води навколишньої скелі.) Механічне перекачування води може видалити набагато більше води з шахти, ніж люди або тварини, що живлять насос. Це дозволило зробити міни глибше. Парові двигуни також використовувалися для забезпечення енергією текстильних фабрик та інших фабрик; це дозволило розташовуватися млинам зручніше до джерел сировини і робочої сили, а не розташовуватися струмками і річками.

Перший комерційно успішний паровий двигун був розроблений Томасом Ньюкоменом (1664—1729) в Англії. Його двигун мав великий циліндр, в якому поршень переміщався вгору-вниз. Пар вводився в циліндр і створював частковий вакуум, коли він конденсувався; атмосферний тиск на іншій стороні поршня змусив поршень рухатися. Поршень був з'єднаний з коромислом; рух коромисла можна було використовувати для приводу насоса. На малюнку нижче показаний вирізаний креслення двигуна.

Ньюкомен та його партнер Джон Каллі повинні були домовитися з Томасом Савері (близько 1650—1715), який раніше запатентував майже кожне можливе використання парової енергії, перш ніж мати можливість комерційно продавати свій винахід. Перший двигун Newcomen був встановлений в 1712 році. На той час, коли термін дії патенту, за яким виготовлялися машини, закінчився в 1733 році, було побудовано і встановлено близько 100 його парових двигунів. За цей час його конструкція була вдосконалена, щоб вона працювала автоматично. Його конструкція була дуже неефективною і вимагала великої кількості палива; він також мав обмежену висоту, на яку міг перекачувати воду. Незважаючи на ці недоліки, вона отримала широке поширення навіть після того, як поліпшені парові машини стали доступні через свою механічної простоти.

Креслення парового двигуна Newcomen. Буква «D» позначає поршень, який рухається вгору і вниз в циліндрі.

Джеймс Ватт (1736—1819) розробив вдосконалену версію парового двигуна. Його двигун був набагато ефективнішим, ніж Newcomen, вимагаючи всього на чверть менше палива, і, таким чином, був набагато менш витратним для запуску. Він розробив робочу модель двигуна в 1765 році, але вимагав значного додаткового часу, щоб зробити двигун комерційно успішним. Отримав патент на конструкцію двигуна. Він співпрацював з Майклом Боултоном (1728—1809), власником успішного залізного заводу, який надав фінансову підтримку, необхідну для розробки та продажу його двигуна. Його перший комерційний двигун був встановлений в 1776 році. У 1781 році він розробив версію двигуна, яка забезпечувала обертовий рух (а не коливальний рух його попереднього двигуна), який міг керувати заводською технікою. Ватт в кінцевому підсумку став дуже заможною людиною на підставі продажів свого парового двигуна.

Розвиток парової машини був ключовим у кількох різних сферах. Одним з них стало впровадження машин у виробництво текстилю та інших товарів. Крім того, парова машина трансформувала транспорт; зокрема, розвиток пароплава і паровоза значно збільшувало швидкість, з якою люди могли пересуватися, і збільшувало кількість матеріалів і товарів, які можна було б переміщати. Метрична одиниця потужності названа на честь Ватта. Таким чином, можна говорити про лампочці «100 Вт» як про лампочці, яка використовує 100 Вт (електричної) потужності.

Текстиль

Однією з галузей, яка була перетворена промисловою революцією, було створення текстилю (тканини). До промислової революції текстильне виробництво було котеджною промисловістю; тканину виготовляли люди, які працювали в своїх будинках або невеликими групами. Після промислової революції тканину виготовляли на великих заводах з використанням машин, що працюють від водяних або парових двигунів.

Створення текстилю передбачає два процеси. Перший, прядіння, - це виготовлення ниток або пряжі з таких волокон, як бавовна або шерсть. Другий - вплетення нитки або пряжі в тканину. Винаходи в текстильній промисловості відбулися як в Англії, так і в США.

Перша бавовняна фабрика в Англії була відкрита в 1764 році. До цього часу більшість тканин, вироблених в Англії, становила шерсть. Бавовна вимагає більш широкої обробки для створення тканини і, таким чином, краще підходив до промислового підходу. У 1769 році Річард Аркрайт (1733—1792) запатентував водяну раму, машину, яка використовувала енергію води для обертання бавовни в нитку. У 1771 році Аркрайт встановив водяний каркас на своїй бавовняній фабриці; це створило один з перших заводів, який був побудований для розміщення машин; попередні заводи були в першу чергу призначені для об'єднання робітників в одному місці.

Ці та інші технологічні розробки в 1770-х і 1780-х роках зробили британську текстильну промисловість можливою і дуже успішною. Ця технологія була ретельно захищена британським урядом; експорт текстильної техніки був заборонений, а працівникам текстилю заборонено обмінюватися інформацією або виїжджати з Британії. Семюель Слейтер (1768—1835) народився в Англії і навчався на бавовняній фабриці, частково належить Річарду Аркрайту; під час свого учнівства він запам'ятовував технічні деталі техніки заводу. Йому стало відомо, що США пропонують заплатити за інформацію про текстильне виробництво, і в 1789 році іммігрував до США, переодягнений під фермера. За фінансової підтримки Мойсея Брауна, купця, він побудував перший в Америці водний спінінг млин в Потакеті, штат Род-Айленд. Слейтер найняв сім'ї, в тому числі жінок і дітей, на цьому і наступних млинах, які він побудував.

Придбання та використання Слейтером технологічної інформації, яку його первісні власники хотіли зберегти в таємниці, є прикладом промислового шпигунства. Промисловий шпигунство - це практика з багаторічною історією, яка триває і сьогодні.

Однією з найвідоміших американських інженерних розробок, пов'язаних з текстилем, стало винахід бавовняного джина винахідником Елі Уїтні (1765—1825) в 1792 році; бавовняний джин - машина, яка видаляє насіння з бавовни після його збору. На малюнку нижче показана внутрішня техніка бавовняного джина Уїтні. До винаходу бавовняного джина ця робота виконувалася вручну. Крім розробки бавовняного джина Елі Уїтні просував ідею змінних деталей для механічних пристроїв. Перед розробкою змінних деталей кожна частина об'єкта виготовлялася індивідуально і підходила один до одного в копіткому процесі. Змінні деталі стандартизовані; це дозволяє, наприклад, один гвинт в автоматі або пістолет замінити іншим гвинтом без необхідності зміни форми будь-яких деталей.

Внутрішні роботи оригінального бавовняного джина, розробленого Елі Уїтні.

Механічний друк

Процес схоплювання типу залишався значною мірою незмінним протягом 400 років після 1480 року. Форми для листів відливали вручну, і ці форми вручну збиралися в ряди і сторінки тексту.

Промислова революція в дев'ятнадцятому столітті принесла зміни, спочатку в поліграфічні процеси, а потім до верстки. Фрідріх Кеніг (1774—1833) винайшов друкарський верстат на пару; перший комерційний блок був проданий London Times в 1814 році. Ця преса показана на зображенні (малюнок нижче). Ця преса могла робити 1100 показів на годину, що було набагато швидше, ніж ручні преси могли друкувати; ця технологія сприяла появі щоденної газети, яка широко розповсюджувалася та читалася. У 1835 році був представлений перший комерційний веб-прес; веб-прес друкує на безперервному рулоні (павутині) паперу. У 1844 році Річард Хо (1812—1886) у США розробив ротаційний друкарський верстат (рисунок нижче). Ця преса могла друкувати понад 20 000 примірників на годину.

Паровий прес винайшов Фрідріх Кеніг в 1814 році.

Ротаційний друкарський верстат винайдений Річардом Хоу.

Паровий транспорт

Розробка парової машини зробила революційний вплив на видобуток і виробництво. Оскільки людські та тваринні сили були замінені паровою силою, ресурси та промислові товари можна було придбати більш ефективно. До кінця вісімнадцятого століття парові машини стали життєздатними джерелами живлення для човнів і поїздів. Це, в свою чергу, драматично вплинуло на суспільство; здатність транспортувати людей і вантажі на великі відстані надавала значні можливості для економічного зростання. Це також зробило можливим розширення населення поселенців у Сполучених Штатах на захід.

В кінці вісімнадцятого століття відбулася значна кількість експериментів з методами харчування судна за допомогою парової машини. Були випробувані різні методи руху; вони включали весла, підвішені на задній частині човна, та гвинтовий гвинт. Роберт Фултон (1765—1815) першим успішно розробив пароплав в США. У 1807 році він завершив будівництво 146 футового пароплава. Човен був обладнаний 24 кінськими силовими двигунами Boulton і Watt. У ньому використовувалися дрова в якості палива. Човен перевозив пасажирів і вантажі між Нью-Йорком і Олбані, Нью-Йорк, набагато швидше, ніж міг би вітрильний човен. Служба пароплавів стала дуже вигідною для Фултона та його фінансового захисника Роберта Лівінгстона (1746—1813).

США мають розгалужену мережу судноплавних річок. Зокрема, річка Міссісіпі та її притоки можуть використовуватися для навігації більшої частини центральної частини Сполучених Штатів. У 1811 і 1812 роках Фултон побудував пароплав в Піттсбурзі, який подорожував по річках Огайо і Міссісіпі до Нового Орлеана. Лівінгстон і Фултон отримали монополію на подорожі пароплавом в Луїзіані; їхні пароплави знову були дуже комерційно успішними. Їх пароплави були першими з багатьох, які плавали по річках США. З 1815 по 1860 рік у перевезеннях вантажів і пасажирів по річках переважали пароплави. Протягом цього часу відбулися значні вдосконалення техніки; до 1850 року багато пароплавів могли проїхати зі швидкістю 20 миль на годину. На малюнку нижче показана картина пароплава Роберта Лі; він був побудований в 1866 році і встановив рекорд найшвидшої подорожі між Сент-Луїсом і Новим Орлеаном. Він був знищений в 1882 році, коли він загорівся в 30 милі за межами Нового Орлеана. (Вибухи та пожежі котлів були досить поширеними явищами на пароплавах, що зробило їх дещо небезпечним видом транспорту та призвело до урядових правил безпеки.)

Картина пароплава Роберта Лі Августа Норьєрі.

Настільки ж важливим, як і розвиток парових суден, розвиток парових залізниць мав набагато більший вплив на економіку Сполучених Штатів у пізній половині дев'ятнадцятого століття. Потяги стали домінуючим видом транспорту за цей час. Корпорації, які будували і експлуатували залізничну систему, були найбільшими корпораціями в цей період і створили значне багатство для своїх власників.

Перший залізничний локомотив був побудований в 1803 році в Англії Річардом Тревітіком (1771—1833). Перша залізниця в Англії, однак, не пішла на озброєння до 1825 року. У 1829 році Роберт Стівенсон (1803—1859) спроектував локомотив під назвою «Ракета», який мав багато особливостей пізніших паровозів; до них відносяться багатотрубний котел і колеса, що приводяться в рух майже горизонтальними поршнями. На малюнку нижче показаний креслення Ракети.

Креслення локомотива Ракета.

Першою комерційною залізницею в Сполучених Штатах була компанія Балтімор і Огайо; в 1830 році вона відкрила перші 13 миль колії в Сполучених Штатах. До 1860 року в Сполучених Штатах було понад 30 000 миль колії. Американські інженери адаптували британські конструкції локомотивів до унікальних обмежень і проблем, поставлених Сполученими Штатами. Американські двигуни були більшими та потужнішими, ніж британські двигуни, оскільки американські залізничні системи мали більш круті класи; американські колії також мали більш жорсткі криві, що вимагало конструкції вантажівки. Американські залізничні колії не обгороджені, тому інженери сконструювали коровловлювачі на передній частині паровоза. Також були розроблені нові інженерні технології для будівництва залізничних ліній і мостів і тунелів, які вони вимагали.

Одним з великих інженерних подвигів промислової революції було будівництво Першої трансконтинентальної залізниці. Ця залізниця зв'язала Омаху, штат Небраска, з Сакраменто, Каліфорнія. Він був уповноважений федеральним урядом Сполучених Штатів в 1862 році і був завершений в 1869 році. Ця залізниця різко змінила подорож до західних Сполучених Штатів; до його завершення ця подорож передбачала багатомісячну подорож у вагоні, запряженому кіньми або волами. Після його завершення подорож можна було здійснити вже через тиждень.