Среди замечательных технических достижений XIX века далеко не последнее место занимает изобретение звукозаписи. Впервые устройство, позволяющее записывать звук, было создано в 1857 году Леоном Скоттом. Принцип действия его фоноавтографа был очень прост: игла, которой передавались колебания звуковой диафрагмы, вычерчивала кривую на поверхности вращавшегося цилиндра, покрытого слоем сажи. Звуковые волны в этом приборе получали как бы зримый образ, но не более того — понятно, что воспроизвести записанный на саже звук было невозможно. Следующий важный шаг на этом пути был сделан знаменитым американским изобретателем Эдисоном. В 1877 году Эдисон создал первую "говорящую машину" — фонограф, позволявшую производить не только запись, но и воспроизведение звука. О своем изобретении Эдисон рассказывал так: "Однажды, когда я еще работал над улучшением телефонного аппарата, я как-то запел над диафрагмой телефона, к которой была припаяна стальная игла. Благодаря дрожанию пластинок игла уколола мне палец, и это заставило меня задуматься. Если бы можно было записать эти колебания иглы, а потом снова провести иглой по такой записи, отчего бы пластинке не заговорить? Я попробовал сначала пропустить обыкновенную телеграфную ленту под острием телефонной диафрагмы и заметил, что получилась какая-то азбука, а потом, когда я заставил ленту с записью вновь пройти под иглой, мне послышалось, правда, очень слабо: "Алло, алло". Тогда я решил построить прибор, который работал бы отчетливо, и дал указание моим помощникам, рассказав, что я придумал. Они надо мной посмеялись".

В последней трети XIX века во многих крупных промышленных центрах Европы и Америки стала очень остро ощущаться энергетическая проблема. Жилые дома, транспорт, фабрики и мастерские требовали все больше топлива, подвозить которое приходилось издалека, вследствие чего цена на него постоянно росла. В этой связи то здесь, то там стали обращаться к гидроэнергии рек, гораздо более дешевой и доступной. Вместе с тем повсеместно возрастал интерес к электрической энергии. Уже давно было отмечено, что этот вид энергии чрезвычайно удобен: электричество легко генерируется и так же легко преобразуется в другие виды энергии, без труда передается на расстояние, подводится и дробится.

Первые электрические станции обычно представляли собой электрогенератор, присоединенный к паровой машине или турбине, и предназначались для снабжения электроэнергией отдельных объектов (например, цеха или дома, в крайнем случае, квартала). С середины 80-х годов стали строиться центральные городские электростанции, дававшие ток прежде всего для освещения. (Первая такая электростанция была построена в 1882 году в Нью-Йорке под руководством Эдисона.) Ток на них вырабатывался мощными паровыми машинами. Но уже к началу 90-х годов стало ясно, что таким образом энергетическую проблему не разрешить, поскольку мощность центральных станций, расположенных в центральной части города, не могла быть очень большой. Использовали они те же уголь и нефть, то есть не снимали проблемы доставки топлива.

О физической сути явления трансформации токов уже сообщалось в главе, посвященной телефону. Нужно, однако, сказать еще несколько слов об изобретении этого замечательного устройства, позволившем разрешить множество больших и малых проблем электротехники. Вполне логично утверждать, что первый трансформатор появился одновременно с открытием явления электромагнитной индукции. Один из опытов Фарадея заключался в том, что он пускал ток от батареи через обмотки катушки. При этом возникал ток в обмотках второй катушки, которая находилась поблизости, но никак не была связана с первой. Моментальное прохождение тока регистрировалось гальванометром. Сам Фарадей, впрочем, никогда не использовал этот эффект для преобразования напряжения.

Величайшим техническим достижением конца XIX века стало изобретение промышленного электродвигателя. Этот компактный, экономичный, удобный мотор вскоре сделался одним из важнейших элементов производства, вытеснив другие виды двигателей отовсюду, куда только можно было доставить электрический ток. Большими недостатками прежней паровой машины всегда оставались низкий КПД, а также трудность передачи и "дробления" полученной от нее энергии. Обычно одна большая машина обслуживала несколько десятков станков. Движение от нее подводилось к каждому рабочему месту механическим путем с помощью шкивов и бесконечных ремней. При этом происходили огромные неоправданные потери энергии. Электрический привод не имел этих изъянов: он обладал высоким КПД, поскольку с его вала можно было прямо получать вращательное движение (тогда как в паровом двигателе его преобразовывали из возвратно-поступательного), да и "дробить" электрическую энергию было намного проще. Потери при этом оказывались минимальными, а производительность труда возрастала. Кроме того, с внедрением электромоторов впервые появилась возможность не только снабдить любой станок своим собственным двигателем, но и поставить отдельный привод на каждый его узел.

Электрические двигатели появились еще во второй четверти XIX столетия, но прошло несколько десятилетий, прежде чем создались благоприятные условия для их повсеместного внедрения в производство.

Паровой двигатель не до конца разрешил энергетическую проблему, стоявшую перед человечеством. Небольшие мастерские и предприятия, составлявшие в XIX веке большую часть промышленного сектора, не всегда могли им воспользоваться. Дело в том, что маленький паровой двигатель имел очень невысокий КПД (менее 10%). Кроме того, использование такого двигателя было связано с большими затратами и хлопотами. Для того чтобы запустить его в ход, необходимо было развести огонь и навести пары. Даже если машина была нужна только временами, ее все равно приходилось постоянно держать под парами. Для мелкой промышленности требовался двигатель небольшой силы, занимающий мало места, который можно было бы включать и останавливать в любое время без долгой подготовки. Впервые идея такого двигателя была предложена в самом начале XIX века.

Наряду с гидротурбинами, описанными в одной из предыдущих глав, огромное значение для энергетики и электрификации имело изобретение и распространение паровых турбин. Принцип их действия был подобен гидравлическим, с той, однако, разницей, что гидравлическую турбину приводила во вращение струя воды, а паровую — струя разогретого пара. Точно так же, как водяная турбина представляла собой новое слово в истории водяных двигателей, паровая продемонстрировала новые возможности парового двигателя. Старая машина Уатта, отметившая в третьей четверти XIX века свой столетний юбилей, имела низкий КПД, поскольку вращательное движение получалось в ней сложным и нерациональным путем. В самом деле, как мы помним, пар двигал здесь не само вращающееся колесо, а оказывал давление на поршень, от поршня через шток, шатун и кривошип движение передавалось на главный вал. В результате многочисленных передач и преобразований огромная часть энергии, полученной от сгорания топлива, в полном смысле этого слова без всякой пользы вылетала в трубу. Не раз изобретатели пытались сконструировать более простую и экономичную машину — паровую турбину, в которой струя пара непосредственно вращала бы рабочее колесо. Несложный подсчет показывал, что она должна иметь КПД на несколько порядков выше, чем машина Уатта. Однако на пути инженерной мысли оказывалось множество препятствий. Для того чтобы турбина действительно превратилась в высокоэффективный двигатель, рабочее колесо должно было вращаться с очень высокой скоростью, делая сотни оборотов в минуту. Долгое время этого не могли добиться, так как не умели сообщить надлежащую скорость струе пара.

В основе действия гидравлического пресса лежит одно из важнейших свойств воды — ее малая способность к сжатию. Благодаря этому давление, производимое на воду, заключенную в замкнутый сосуд, передается во все стороны с одинаковой силой, так что на каждую единицу поверхности приходится такое же давление, как и давление, производимое извне.

Сила, с которой оказывается воздействие на поверхность, определяется по формуле F=P•S, где P — давление, а S — площадь, к которой прилагается сила. Представим себе замкнутый сосуд с водой (или любой другой несжимаемой жидкостью), в который вставлены два поршня. Воздействуя на меньший поршень с силой F, мы заставим подниматься больший поршень. Сила, с которой вода будет давить на этот поршень (как это следует из приведенной выше формулы), будет во столько раз больше, во сколько его площадь больше площади меньшего поршня. В этом состоит суть эффекта гидравлического усиления. Например, если на меньший поршень давить с силой 10 кг, то воздействие, оказываемое на поршень в другом колене, диаметр которого вдвое больше, будет в четыре раза больше (так как площадь этого поршня в четыре раза больше), то есть оно будет равняться 40 кг. Соответствующим подбором диаметров того и другого поршня можно достигнуть чрезвычайно большого увеличения силы давления, оказываемой водой на второй поршень, но в такой же мере уменьшиться скорость, с которой он будет подниматься вверх. (В нашем примере для того, чтобы большой поршень поднялся на 1 см, маленький должен опуститься на 4 см.)

В истории военной техники можно насчитать несколько эпохальных изобретений, к числу которых, несомненно, относится и пулемет. Точно так же, как первая пушка открыла эпоху огнестрельного оружия, а первая винтовка — эпоху нарезного, создание пулемета ознаменовало собой начало эпохи скорострельного автоматического оружия.

Мысль о таком оружии, которое позволяло бы в кратчайший промежуток времени выпустить наибольшее количество пуль, появилась очень давно. Уже в начале XVI века существовали укрепленные поперечно на бревне ряды заряженных стволов, через затравки которых была просыпана пороховая дорожка. При воспламенении пороха получался залп из всех стволов. Об использовании подобных установок (ребодеконов) в Испании сообщается около 1512 года. Потом возникла мысль укреплять отдельные стволы на вращающемся граненом вале. Это оружие называлось "органом", или картечницей. Орган мог иметь на себе до нескольких десятков стволов, каждый из которых снабжался своим кремневым замком и спусковым механизмом. Действовало такое приспособление очень просто: когда все стволы были заряжены и замки взведены, вал приводили во вращение посредством рукоятки, укрепленной на его оси. При этом замки, проходя мимо неподвижного шпенька (небольшого стержня), укрепленного на оси орудия, спускались и производили выстрел. Частота огня зависела от частоты вращения. Впрочем, подобное оружие не имело широкого распространения. Оно стало более удобным только после того, как появились патроны в металлической гильзе.

В истории человечества водяные двигатели всегда играли особую роль. На протяжении многих веков различный водяные машины были главным источником энергии в производстве. Затем развитие тепловых (а позже электрических) двигателей сильно сузило сферу их применения. Однако везде, где имелись дешевые гидроресурсы (ручей с быстрым течением, водопад или порожистая река), водяной двигатель мог оказаться предпочтительнее всех других, поскольку был очень прост по своей конструкции, не требовал топлива и имел сравнительно высокий КПД. После того как в первой половине XIX века была изобретена водяная турбина с очень высоким КПД, гидроэнергетика пережила как бы второе рождение. С началом электрификации по всему миру развернулось строительство гидроэлектростанций, на которых электрогенераторы получали свой привод от мощных гидротурбин различных конструкций. И в наше время на долю гидротурбин приходится немалая часть мирового производства электроэнергии. Поэтому это замечательное устройство по праву входит в число самых великих изобретений.

Водяная турбина развилась из водяного колеса, и прежде чем говорить о ее устройстве, следует сказать несколько слов о водяных колесах. Как уже отмечалось, первые водяные колеса стали использоваться в древности. По конструкции они делились на нижнебойные (или подливные) и верхнебойные (или наливные).

В последние десятилетия XIX века в жизнь многих европейских городов вошло электрическое освещение. Появившись сначала на улицах и площадях, оно очень скоро проникло в каждый дом, в каждую квартиру и сделалось неотъемлемой частью жизни каждого цивилизованного человека. Это было одно из важнейших событий в истории техники, имевшее огромные и многообразные последствия. Бурное развитие электрического освещения привело к массовой электрификации, перевороту в энергетике и крупным сдвигам в промышленности. Однако всего этого могло и не случиться, если бы усилиями многих изобретателей не было создано такое обычное и привычное для нас устройство, как электрическая лампочка. В числе величайших открытий человеческой истории ей, несомненно, принадлежит одно из самых почетных мест.

В XIX веке получили распространение два типа электрических ламп: лампы накаливания и дуговые. Дуговые лампочки появились немного раньше. Свечение их основано на таком интересном явлении, как вольтова дуга. Если взять две проволоки, подключить их к достаточно сильному источнику тока, соединить, а затем раздвинуть на расстояние нескольких миллиметров, то между концами проводников образуется нечто вроде пламени с ярким светом. Явление будет красивее и ярче, если вместо металлических проводов взять два заостренных угольных стержня. При достаточно большом напряжении между ними образуется свет ослепительной силы.

С изобретением телеграфа была решена задача передачи сообщений на большие расстояния. Однако телеграф мог переслать только письменные депеши. Между тем многие изобретатели мечтали о более совершенном и коммуникабельном способе связи, с помощью которого можно было бы передавать на любые расстояния живой звук человеческой речи или музыку. Первые эксперименты в этом направлении предпринял в 1837 году американский физик Пейдж. Суть опытов Пейджа была очень проста. Он собрал электрическую цепь, в которую входили камертон, электромагнит и гальванические элементы. Во время своих колебаний камертон быстро размыкал и замыкал цепь. Этот прерывистый ток передавался на электромагнит, который так же быстро притягивал и отпускал тонкий стальной стержень. В результате этих колебаний стержень производил поющий звук, подобный тому, который издавал камертон. Таким образом, Пейдж показал, что передавать звук с помощью электрического тока в принципе возможно, надо только создать более совершенные передающее и принимающее устройства.

Следующий важный этап в развитии телефонии связан с именем английского изобретателя Рейса. Еще в студенческие годы Рейс заинтересовался проблемой передачи звука на расстояние при помощи электрического тока. К 1860 году он сконструировал до десятка различных устройств. Наиболее совершенное из них имело следующий вид.

В главе, посвященной изобретению телеграфа, уже рассказывалось о том, что в 1820 году было открыто взаимодействие между электрическим током, протекающим в проводнике, и магнитной стрелкой. Это явление было правильно объяснено и обобщено французским физиком Ампером, который установил, что магнитные свойства любого тела являются следствием того, что внутри него протекают замкнутые электрические токи. (Или, говоря современным языком, любой электрический ток создает вокруг проводника магнитное поле.) Таким образом, любые магнитные взаимодействия можно рассматривать как следствия электрических. Однако, если электрический ток вызывает магнитные явления, естественно было предположить, что и магнитные явления могут вызвать появление электрического тока. Долгое время физики в разных странах пытались обнаружить эту зависимость, но терпели неудачу. В самом деле, если, к примеру, рядом с проводником или катушкой лежит постоянный магнит, никакого тока в проводнике не возникает. Но если мы начнем перемещать этот магнит: приближать или удалять его от катушки, вводить и вынимать магнит из нее, то электрический ток в проводнике появляется, и его можно наблюдать в течение всего того периода, во время которого магнит движется. То есть электрический ток может возникать только в переменном магнитном поле. Впервые эту важную закономерность установил в 1831 году английский физик Майкл Фарадей.