«Литейный двор» Джон Фергюсон Вейр (1866)
Как возникла эта тема?
Некоторое время назад у меня заинтересовала технология литья скульптур в XVIII веке. Материалов по отливкам бронзовых скульптур достаточно, но в них часто ссылаются на литье орудийных стволов. Здесь информации по XVIII веку больше, но наиболее полным является одно произведение – «Описание искусства изготовления пушек» (Description de l’art de fabriquer des canons) 1794 года издания, автор – Гаспар Монж, граф де Пелюз (9 мая 1746 – 28 июля 1818), французский математик, изобретатель начертательной геометрии, технического черчения и отец дифференциальной геометрии. Во время Великой французской революции он занимал пост морского министра и участвовал в реформе французской системы образования, помогая основать политехническую школу. Эта книга была переведена и издана в России в 1804 году.
Конец XVIII века – это время, когда Франция и Британия (как и многие другие) сойдутся в серии конфликтов на земле и на море. А как выглядела промышленность, которая обеспечила материальную базу этих войн? Отсюда родился интерес – посмотреть на уровень техники во Франции и Британии этого периода. А потом более подробно ознакомиться с содержанием трактата господина Монжа, который вобрал в себя знания по металлургии, металлообработке, машиностроению.
Представление об уровне промышленности, ремесел, науки во Франции дает «Энциклопедия, или Толковый словарь наук, искусств и ремёсел» (Encyclopédie, ou dictionnaire raisonné des sciences, des arts et des métiers) – выдающийся труд эпохи Просвещения и одно из главных справочных изданий XVIII века, охватывающее все области знаний.
Основные 28 томов «Энциклопедии», включая 11 томов иллюстраций, публиковались в течение 21 года (1751–1772) по инициативе Дени Дидро и математика Жана д’Аламбера. Они содержат 71 818 статей и 3 129 гравюр. Среди сотрудничавших с «Энциклопедией» в разные годы были такие выдающиеся деятели Просвещения, как Вольтер, Монтескьё, Гольбах, Гельвеций, Руссо, Бюффон, Кондорсе и др. Авторов и составителей «Энциклопедии» называют энциклопедистами.
Титульный лист первого тома. На гравюре метафорически представлена как тематика, так и естественнонаучная направленность издания. На фоне колонн стоит фигура, олицетворяющая Истину, исходящий от неё свет рассеивает облака. Расположенные справа Разум и Философия приподнимают и срывают пелену с Истины, у её ног коленопреклоненная Теология. За Разумом находятся Память, Современная история и Древняя история (видимо, где-то рядом место нам, любителям истории), опорой для пишущей истории служит время. Ниже расположены Геометрия, Астрономия и Физика, под ними – Оптика, Ботаника, Химия и Агрономия. Фигуры внизу представляют несколько искусств и профессий, берущих начало в науках. Такое взаимоотношение аллегорических фигур дает материал для осмысления философии эпохи Просвещения. Символы и смыслы глубоко пронизывают каждое время.
Множество статей и иллюстраций позволяют оценить уровень развития техники и ремесел. Искусство, медицина, астрономия, сельское хозяйство тоже присутствуют в описаниях, но в настоящий момент нас интересуют машины. Ниже приведены гравюры, по которым можно представить, какие технические устройства присутствовали в промышленности.
Оборудование на производстве сукна 
Канатная фабрика
Кузнечный цех 
Рамные конструкции в мостах и перекрытиях 
Изготовление гвоздей. Отметим большое разнообразие этого простого изделия. Это говорит о развитии и специализации технологий крепежа 
Сверление пушечного ствола 
Наведение орудия 
Для любителей военного искусства несколько приемов фехтования Почему из тысяч рисунков выбраны именно эти?
Во-первых, в них можно увидеть и оценить уровень техники. При этом на разных производствах движущей силой оборудования служило водяное колесо либо мускульная сила. Привод осуществлялся от одного вала и раздавался к отдельным механизмам. Тем самым производство уже конструктивно-технологически было готово к использованию паровой машины. Если взглянуть из XVIII века вперед, в перспективу, то увидим, что такой подход сохранится вплоть до начала XX века.
Весь XIX век под потолком производственного помещения тянулся вал со шкивами и ременным приводом к каждому станку. Предприятие обслуживала одна, позже несколько паровых машин. Только переход на электричество, снижение стоимости производства электромоторов, снижение их габаритов и повышение надежности позволили оснащать каждый станок собственным приводом.
Во-вторых, впоследствии попытаемся сравнить эти рисунки с чертежами станков по изготовлению орудийных стволов в книге «Описание искусства изготовления пушек». Хочется понять, получены ли Россией современные на тот момент технологии, либо что-то приблизительное и устарелое. Постараемся это не забыть.
Легкая промышленность являлась одной из основных движущих сил промышленной революции. С неё все началось. Формирование колониальной системы с разделением на сырьевые территории (колонии) и промышленные высокотехнологичные центры (метрополии) позволяло на основе диктата цен создать высокий уровень доходов метрополии, обеспечив устойчивый платежеспособный спрос на новые ткани.
В это время ускорился переход от шерстяных тканей к хлопчатобумажным. Кратный рост потребления текстиля заставил модернизировать станочный парк, это подтолкнуло развитие производства средств производства, металлургию, транспорт, добывающие отрасли и т. д. И, конечно же, такие революционные изменения в структуре промышленности в целом привели к огромному дефициту энергии. Экономике в целом категорически не хватало наличной силы ветра, воды, животных и людей. Всем требовался независимый от места и времени источник механической энергии, рынок уже был готов принять паровую машину.
Рассмотрим несколько примеров новых станков, механизмов, технологий, которые были созданы в это время. Их далекие потомки используются нами и сейчас. Безусловно, не полный и всеобъемлющий перечень, но примеры, обладающие некоторыми особенностями, характеризующими эпоху.
Начнем с текстильной промышленности.
Текстильная промышленность
Принципиально технологический процесс выпуска текстильной продукции сохранился до наших дней. Подготовка волокна, прядение нитей, изготовление тканей. В каждый из названных этапов пришло новое оборудование, качественно изменившее не только производство, но и социальные условия.
Замечание. В некоторых случаях в литературе указываются цифры повышения производительности нового станка, однако непонятно по тексту, как производились расчеты, и относятся ли они к одному работающему: на установку, на предприятие, перешедшее на новый технологический процесс.
Хлопкоочистительная машина Эли Уитни. На фрагменте А показаны основные узлы устройства, определяющие его эффективностьВ XVIII веке выращивание хлопка и продажа хлопкового волокна в южных штатах северной Америки не являлась высокорентабельным производством. Выращиваемые сорта коротковолокнистого хлопчатника отличались высокой клейкостью семян, что приводило к трудоемкому процессу очистки волокна от них. В 1793 году Эли Уитни младший (8 декабря 1765 – 8 января 1825), американский изобретатель, работавший на тот момент помощником управляющего хлопковой плантацией в Джорджии, изобрел хлопкоочистительную машину.
Этот механизм позволял отделять волокно от мусора, сухих листьев и семян, предварительно расчесывать волокна и формировать на выходе ленту волокна заданной ширины. По сути, ватную полосу. Главными элементами являлись два барабана, вращавшихся с разной скоростью. Относительно медленный с короткими зубцами вырывал из загруженной массы хлопка сырца отдельные небольшие клочки волокна, второй барабан, вращающийся быстрее, был снабжен длинными рядами мягкой щетины, щетками своего рода.
Эти щетинки выдирали из клочков хлопка, застрявших на крючках первого барабана, отдельные волокна, при этом не захватывали мусор и семена. Семена падали в специальный бункер, из них изготавливали масло. Со щетины второго барабана волокна захватывались следующим барабаном и подавались в накопитель, на выходе которого формировалась бесконечная лента ваты.
Здесь общий вид. Тут есть все – хлопок, рабы, плантаторы Производительность процесса очистки выросла в разы – от 4 до 8 раз. Стало выше и стабильнее качество продукции. Доходность выращивания хлопка возросла, плантации стали расширяться, но это потребовало новых рабочих – рабов. Хотя сам Уитни полагал, что его изобретение снизит спрос на рабский труд и поможет ускорить ликвидацию рабства, однако его машина превратила коротковолокнистый хлопок в доходную культуру и укрепила экономическую основу рабства.
Для представления об изменившейся конъюнктуре можно привести следующие цифры: объем производимого хлопка сырца в США вырос в 1790–1810 гг. с 1,5 до 85 миллионов фунтов в год.
Кроме того, Уитни занялся выпуском мушкетов, которые собирались из стандартных, взаимозаменяемых деталей. Получив заказ правительства США, Уитни наладил производство оружия, состоявшего из стандартных деталей. Это был революционный шаг в производстве оружия и в машиностроении в целом.
Следующим важным шагом было изобретение производительных прядильных машин. Сначала из хлопкового волокна формировалась так называемая ровница – не скрученные пряди волокна, заготовки нити. На следующем этапе ровница скручивалась, образуя нить с заданными параметрами. Важнейшим станком для этого второго этапа производства является «прялка Дженни».
Механическая прядильная машина, сконструированная Джеймсом Харгривсом (ок. 1720 – 22 апреля 1778) в 1764 году, называлась «Дженни-пряха» (от англ. Spinning Jenny). Сам Харгривс был английским ткачом, плотником и изобретателем, который жил и работал в Ланкашире, Англия. Считается, что появление этой машины в 1764 было началом «Промышленной революции» и ознаменовало процесс глобального перехода от ручного труда к машинному.
Старинный рисунок «прялки Дженни» В «прялке Дженни» устанавливалось восемь мотков с ровницей и восемь веретен для конечного продукта (в дальнейшем их число было увеличено). Мотки с ровницей, нитью, подготовленной для прядения, размещались на специальной наклонной раме. Наклон этой рамы обеспечивал простоту процесса сматывания ровницы. Нити ровницы проходили с мотков через вытяжной пресс из двух деревянных пластин, после чего наматывались на веретена.
Веретена, на которые наматывалась готовая нить, находились на противоположной стороне станка. В нижней части каждого веретена имелся шкив, вокруг которого шел ремень, обеспечивавший связь с ручным приводом станка. При наматывании ровницы на веретено она дополнительно скручивалась. Рабочий-прядильщик должен был перемещать каретку вытяжного пресса и вращать приводное колесо, которое заставляло двигаться веретена.
Надо отметить, что первые конструкции этой прядильной машины несколько проигрывали нитям ручной выделки в качестве, из-за неплотной скрутки нити. Для того чтобы сделать пряжу более прочной, в неё приходилось добавлять льняную нить.
Схема работы «прялки Дженни» 1 – вытяжной пресс, 2 – ровница, 3 – держатель веретена, 4 – мотки с ровницей, 5 – привод, 6 – ременная передача; 7, 8, 9 – привод веретен, 10 – нить, 12 – веретено с нитьюОднако прялка «Дженни» имела и неоспоримые преимущества.
Она приводилась в движение одним рабочим и производила более чем в шесть раз больше пряжи, чем могла произвести обыкновенная прялка за то же время. Таким образом, много ремесленников лишалось работы. Хотя Харгривс не успел продать много экземпляров своей машины, его изобретение вызвало сильное недовольство местных прядильщиков – в 1768 году они разрушили дом изобретателя и его мастерскую. Харгривс переехал в Ноттингем и совместно с Томасом Джеймсом построил прядильную фабрику, став одним из первых крупных фабрикантов.
Замечание: обычно в литературе сообщают, что Дженни – имя дочери изобретателя. Однако другие исследователи говорят, что ни жена Харгривза, ни кто-либо из его дочерей не носили имени Дженни, вопреки мифу, повторяемому до сих пор. По их мнению, слово «Дженни» относится к используемому ручному приводу, это был обычный сленговый термин в Ланкашире в XVIII веке, который иногда встречается даже сейчас.
Схема ручного ткацкого станка. 1 – барабан с основой, 2 – нити основы, 3 – держатели ремизок, 4 – ботанн, 5 – зев, 7 – педали ремизок, 8 – натяжитель основы, 9 – ремизки Еще одним претендентом на изобретение, открывшее промышленную революцию, называют летающий челнок (flying shuttle). Его изобретатель Джон Кей (John Kay) родился в 1704 году в городе Бери, Ланкашир. По профессии суконщик. В 1730 году переехал в Колчестер. Там изготовлял детали для ткацких станков. В 1733 году запатентовал летающий челнок, который значительно ускорил ручной процесс изготовления ткани и вдвое сократил рабочую силу. Если раньше на ткацком станке требовалось по одному ткачу с каждой стороны, то теперь мог работать один оператор.
В типичном рамном ткацком станке, который использовался до изобретения летающего челнока, работник сидел перед полотном и использовал педали или какой-либо другой механизм для поднятия и опускания ремизок (ремизки – деталь ткацкого станка, состоящая из двух планок, между которыми установлены держатели нитей основы (продольные нити полотна). Ремизки, перемещаясь вверх или вниз, поднимают или опускают нити основы, образуя зев (зазор между верхними и нижними нитями основы).
В зев прокладываются поперечные нити – уток. Затем оператор должен был протянуть руку вперед, удерживая челнок со шпулей нити утка, провести его через зев. После чего челнок должен был быть захвачен другой рукой, зев закрылся, а ботанн (деталь предназначена для уплотнения (прибивания) проложенных нитей утка) тянулась вперед, чтобы протолкнуть уток на место. Все это требовало постоянных наклонов вперед по ткани. Кроме того, пропускание челнока через зев требовало нескольких работников, если ширина ткани превышала 50–60 дюймов.
Ткацкий станок с летающим челнокомВ станке с летающим челноком используется горизонтальная направляющая планка, на которую ложатся нижние нити основы. Челнок скользит по этим нитям, опираясь на планку и двигаясь через зев. На каждом конце направляющей есть механизм, который захватывает шаттл в конце его пути и придает челноку импульс для движения в обратном направлении. Проще говоря, тормоз для остановки и толкатель для обратного движения. Концы челнока имеют форму пули и имеют металлический колпачок, а корпус челнока имеет ролики для уменьшения трения. Толкатели приводились в действие резким ударом приводной рукояти.
Таким образом, после каждой смены положения нитей основы производился «полет» челнока поперек полотна. Движение челнока стало настолько быстрым, что за ним было трудно уследить. Поэтому и название – «летящий».
Это изобретение позволяло отказаться от нескольких работников на одном станке, увеличить ширину полотна, ускорить работу. Данные по росту производительности в разных источниках разнятся – от 4 до 8 раз. Кроме того, процесс стало возможно привести к одному механическому приводу, что и было сделано несколько позже. В 1747 Джон Кей поехал в Париж и на протяжении года вел переговоры с французским правительством о продаже им своей технологии. Запрошенную огромную единовременную выплату получить не удалось, и Кей в конце концов согласился на 3 000 ливров плюс пенсию в 2 500 ливров (ежегодно с 1749 года) в обмен на свой патент и инструкции по его использованию.
В процессе дальнейшего развития этих станков большую роль сыграл англичанин Эдмунд Картрайт. В 1785 году он создал первую, а в 1792 году вторую конструкцию ткацкого станка. Механизирован был весь процесс ткачества: прокидка челнока, подъем ремизного аппарата, пробой бердом уточной нити, разматывание запасных нитей основы и сматывание готовой ткани. Эти станки могли приводиться в движение паровым двигателем, что в свою очередь снова увеличило производительность труда.
Невозможно обойти вниманием еще один станок – ткацкий станок для получения узорчатых материй (известный как жаккардовый ткацкий станок). Он является примером машины с программным управлением. Его изобретатель – Жозеф Мари Жаккар (иногда Жаккард; фр. Joseph Marie Jacquard; 7 июля 1752 – 7 августа 1834) – французский торговец и ткач. Картонная перфокарта несла информацию о верхнем или нижнем положении каждой основной нити (есть или нет отверстия в соответствующей позиции на перфокарте). В итоге на ткани формируется двусторонний орнамент, где одна сторона является цветовым либо фактурным негативом другой.
Ткацкий станок для получения узорчатых материй (жаккардовый ткацкий станок) Перфокарты могли контролировать до 100 нитей. Они сшивались в одну рабочую ленту и менялись по мере необходимости оператором станка. Нити основы натягиваются в нижней части устройства в горизонтальном направлении. Для получения узорной ткани достаточно опускать не попеременно все четные или все нечетные нити основы, чтобы пропускать в зев челнок с уточной нитью, а опускать только некоторые из них.
Определенный порядок этих нитей, рассчитанный для каждого прохода челнока, реализует заданный узор. Любая нить основы проходит в ткацком стане через особое колечко-нитяницу, соединенное с вертикальным держателем. В случае наличия отверстия в перфокарте, соответствующий этой позиции держатель поднимался, а значит нить основы поднималась тоже, при отсутствии отверстия нить оставалась внизу. Специальный механизм передвигает ленту перфокарт автоматически после каждого прохода челнока.
Интересна судьба изобретателя и его взаимоотношения с государством. Жаккар работал над станком в Париже в «Консерватории искусств и ремёсел»*. Здесь в 1804 году он создал свой ткацкий станок, который ткал узорчатый шёлк. 15 апреля 1805 года император Наполеон предоставил городу Лиону патент на ткацкий станок жаккарда. Взамен Жаккар был вознагражден пенсией в три тысячи франков и гонораром в пятьдесят франков за каждый ткацкий станок, который был куплен и использовался в период с 1805 по 1811 год. К 1812 году во Франции работало 11 000 жаккардовых ткацких станков. В 1819 году изобретатель был награжден Крестом Почётного легиона.
*«Консерватория искусств и ремёсел» была создана 10 октября 1794 года по инициативе аббата Анри Грегуара в Париже, который предложил Национальному конвенту проект создания учреждения, целью которого станет «улучшение национальной промышленности, изучение и сохранение машин и инструментов, чертежей и моделей, книг и различной документации всех существующих искусств и ремёсел». В ведение нового учреждения были переданы конфискованные во время Великой французской революции частные коллекции, для сохранения которых в 1802 году под патронажем Консерватории в помещении парижской церкви Сен-Мартен-де-Шан был создан Музей искусств и ремёсел. По настоящее время музей хранит одну из выдающихся технических коллекций Европы.
Выводы
Машины и механизмы, их устройство и принципы работы привлекают внимание читателя, но анализ их общего воздействия на промышленность, экономику, общество в целом также очень важно. Попробуем отметить некоторые из них, разделив условно на несколько групп для удобства рассмотрения. Хотя, безусловно, все эти явления неразрывно связаны друг с другом.
Социальное влияние
Новые технологии требовали новых рабочих. Переход от мастерства ремесленника к навыкам оператора станочного парка и настройщика оборудования. Это привело к социальному напряжению.
Все упомянутые изобретатели пострадали от луддитов (протесты старого технологического уклада против новых требований рынка).
Очиститель хлопка и вовсе придал рабовладению «второе дыхание».
Новые соотношения цен на продукцию и зарплаты работающих. Имеющие работу стали жить лучше.
Техника
Потребность в обновлении станочного парка легкой промышленности дала импульс в развитии машиностроения, металлургии, горного дела, транспорта, строительства паровых машин и т. д.
Пока не автоматизация, но уже механизация процессов.
Уход от применения силы человека и воды к энергии пара.
Экономика
Взрывной рост объема производства сначала легкой промышленности, а потом и тяжелой.
Государство финансово (гранды) и институционально (созданием организаций и ведомств) поддерживало развитие современных технологий и технических изобретений.
Рождение нового мира – экономики. Разделение труда, объединение рынков, управление ценами. Деление на метрополию с ведущими технологиями, несуверенные государства-вассалы с технологиями среднего уровня (рынки и продукция неполного производственного цикла) и бесправные колонии как источники сырья. Экономическое управление с помощью диктата цен, за счет чего центром получения прибыли становится метрополия.
Экономика и производство становятся достаточно мощными, чтоб одеть и обуть сотни тысяч солдат, вооружить, обеспечить порохом и ядрами, парусами и канатами. В конце концов, довести всех и все это до поля боя. При этом надо постараться не разориться в течение первых месяцев войны. Все готово к эпохе Наполеоновских войн.
Государство и политика
Патентное право развито, налажен учет производимого по патенту оборудования и осуществляются выплаты за это.
Изобретатели перемещаются из страны в страну с ключевыми технологиями, невзирая на острое политическое соперничество между Францией и Британией.
Формирование новых решений в отношениях с колониями и вассальными странами. Например, требования к увеличению выпуска хлопкового волокна решили следующим образом. Продукция легкой промышленности (ткани в том числе) отправляли в Африку, там меняли на рабов, их везли в Америку, там меняли (покупали/продавали) на хлопок.
Южные штаты при этом технологичные товары дорого получали из Британии. Из Африки (колоний вообще) шло сырье в обмен за товары широкого потребления. Ни один рейс торговых судов не был порожним.
Торговые войны с таможенными барьерами. Конкуренция экономических систем. Приближаются войны если не моторов, то артиллерии, брони и логистики.
Заключение
Удивительно много значимой информации о развитии техники в период 1750–1800 гг. Бурный рост промышленности тесно связан с политикой, финансами, экономикой. Посмотрев всего на несколько устройств, увидели рождение той самой промышленной революции.
К сожалению, не удалось в первой части вплотную подойти к обсуждению работы Монжа об изготовлении пушек. Но оставим это на следующую часть.
Промышленное производство – это связанные процессы в различных отраслях. Некоторые решения применялись и при изготовлении орудий, и при изготовлении паровых машин. Вырывать один технический процесс из общего технологического контекста, наверное, было бы не очень правильно. Автор:Владимир Репин
