Химия. 
История и методология науки

Главная задача химии, сформулированная Д. И. Менделеевым, — эго получение веществ с необходимыми свойствами, что требует научно-исследовательских усилий по выявлению способов управления свойствами вещества. В 1-й половине XX в. эта задача решалась уже на структурномолекулярном уровне. На этой базе возникла технология получения органических веществ, в которых нуждались и текстильное производство, и военно-промышленный комплекс.

Разработка технологий промышленного производства отравляющих газов (иприта), впервые примененных в Первой мировой войне (1917), отчетливо сформулировала еще одну тему взаимоотношений науки и технологий — ответственность ученых за свои открытия и их применение.

Одним из выдающихся достижений новых химических технологий стало получение синтетического каучука в 1928 г.

Техника и технологии периода становления неклассической науки

Успехи в области исследования электричества в середине XIX в. поставили вопрос о его практическом применении. Одной из первых ламп стала дуговая лампа П. Н. Яблочкова, созданная им в 1876 г. во Франции, где в качестве источника света использовались куски угля на металлических стержнях, разделенных прокладкой из каолина. Электрический ток подавался на стержни, отчего между углями возникала дуга, освещавшая помещение ровным светом. Дуговая лампа Яблочкова на короткое время стала суперпопулярным средством освещения в Париже, Лондоне и многих других городах Европы, однако в начале 1880-х гг. она стала вытесняться другой новинкой — лампой накаливания, изобретенной американским инженером Т. А. Эдисоном.

Сама идея лампы накаливания была известна еще с 1840-х гг., однако Эдисон разработал нить накаливания из угольного волокна. Это технологическое решение оказалось перспективным (хотя срок службы таких ламп не превышал 50 часов). В дальнейшем эволюция осветительной лампочки пошла по пути улучшения качества нити накаливания (русский изобретатель А. Н. Лодыгин в 1890-е гг. предлагает использовать для нити вольфрам, а в 1910 г. В. Кулидж усовершенствует производство этого вещества, что делает его более долговечным и дешевым) и контроля за наполнением колбы лампы — в 1910 г. И. Ленгмюр предложил закачивать в лампу аргон, что увеличило срок службы нити накаливания.

Параллельно с «малой электрификацией» активно идет электрификация «большая». Она складывалась из нескольких составляющих: это поиски источников энергии, механизмы для се производства, способы передачи, пути ее накопления.

Первая частная электростанция появилась в Англии в 1868 г. в поместье лорда Армстронга. Источник энергии был самый традиционный: вода из озер, которая приводила в движение новинку — динамо-машину производства компании «Сименс». Энергии, получаемой от этого комплекса, хватало, чтобы нагревать воду для фермы, освещать ее электричеством и использовать лифт.

Первая общественная электростанция была создана по проекту Т. А. Эдисона его партнером Э. Джонсоном в 1882 г. в Лондоне. В качестве источника энергии использовался пар, нагревавшийся в специальном котле производства компании Babcock & Wilcox (эта компания до сих пор производит оборудование для электростанций) и вращавший двигатель мощностью 125 л.с. Первыми потребителями энергии с этой станции стали церковь Сити Темпл, Центральный уголовный суд и Главный телеграф Лондона. Разумеется, первые электростанции еще не могли полностью обеспечить энергетические потребности растущих городов. Замена газовых фонарей электрическими произойдет лишь в следующем веке, но в то же время для газа, нефти и получаемых из нее продуктов формируется новая область применения.

Еще в середине XIX в. исследователям стало ясно, что нефть может быть не только сырьем для керосиновых ламп, но и ценным источником энергии, составив конкуренцию пару. Эффективнее сжигать топливо в самом двигателе и использовать расширение образующихся газообразных продуктов сгорания для приведения в движение поршня или турбины. Новое топливо прекрасно подходило для решения этой задачи, однако первые удачные модели двигателей разрабатывались применительно к газу, который вырабатывался из каменного угля.

Первый удачный газовый двигатель был сконструирован Э. Ленуаром в Париже в 1859 г. Он был похож на горизонтальный паровой двигатель, но в нем взрывчатая смесь газа и воздуха воспламенялась электрической искрой по очереди на разных сторонах поршня. Однако газовый двигатель был дорог, неэкономичен в работе, и только в результате усовершенствований немецкого изобретателя Н. Отто в 1878 г. стало возможно его широкое использование. В двигателе Отто газ перед сгоранием сжимался, что не только повышало КПД двигателя, но и снижало расход топлива. Сама схема работы четырехтактного двигателя выглядела так: всасывание топливно-воздушной смеси; такт сжатия (поршень, двигаясь вверх, сжимает смесь); рабочий ход — движение поршня вниз, обусловленное быстрым горением топлива в смеси; и такт выпуска, при котором движение поршня вверх приводит к выпуску газа из цилиндра.

Для менее мощных средств передвижения в 1880 г. британский инженер Д. Клерк разработал двигатель с двухтактным циклом. Газовые двигатели стали широко использоваться на малых промышленных предприятиях.

Но подлинной революцией стало изобретение двигателя внутреннего сгорания на легком топливе. Технологии дистилляции нефти, применявшиеся при создании керосина, были несколько улучшены и в результате появились новые вещества — бензин и дизельное топливо.

Бензиновый двигатель был изобретен в Германии в 1885 г. Г. Даймлером и К. Бенцем. Тогда же они оснастили двигателями собственной конструкции первый мотоцикл и первые легковые машины. Первые автомобили фактически представляли собой кареты, на которые монтировался двигатель и устанавливалась рулевая колонка. Однако эволюция автомобилей происходила стремительными темпами, и к началу XX в. этот вид транспорта завоевал рынок.

Дизельное топливо как результат перегонки нефти представляет собой более тяжелую (в отличие от бензина) фракцию, получившую наименование Solarol. Серьезные улучшения двигателя на тяжелом топливе связаны с работами Р. Дизеля из Германии, который получил первые патенты в 1892 г. Исходя из термодинамических принципов минимизации потерь тепла, Дизель изобрел двигатель, в котором очень сильное сжатие воздуха в цилиндре вызывало спонтанное возгорание топлива, которое впрыскивалось в тщательно отмеренном количестве. Это обеспечивало высокую тепловую эффективность, но утяжеляло устройство из-за необходимости выдерживать высокое давление; кроме того, двигатель не слишком хорошо работал на низких скоростях, по сравнению с другими моторами. Постоянные усовершенствования этого двигателя привели к тому, что он стал наиболее оптимальным решением для машин, перевозивших большие массы грузов — локомотивов, пароходов и некоторых грузовиков.

К концу XIX в. двигатель внутреннего сгорания произвел настоящую революцию в технике, заменив собой паровую машину на множестве промышленных и транспортных предприятий и породив новые технические направления. Благодаря распространению двигателей на легком топливе еще более интенсифицировались торговые и промышленные связи между различными странами; Британия перестала быть единственным центром промышленного производства, поделив призовое место с представителями континентальных стран (прежде всего, Франции и Германии) и США. Не менее важно и то, что новые изобретения, с одной стороны, стали основой для дальнейших исследований в области термодинамики, а с другой — сами впитали в себя достижения физики. Изобретение двигателя легкого топлива (цикл Отто) стало основой возникновения автостроения и авиастроения — производств со своей «внутренней» спецификой: новые материалы, новые источники энергии, новые технологии, новые проблемы взаимодействия человека и техники.

Отдельной вехой технического и технологического развития в конце XIX — начале XX вв. стало рождение авиации, обоснование космонавтики и всего комплекса научно-технических знаний о ракетно-космических системах, начиная с механики тел переменной массы и заканчивая практическим использованием ракетных систем.

Авиация прошла долгий путь от первых практических попыток полета (без каких-либо предварительных теоретических исследований) до создания теории аэродинамики. Первый успешный управляемый полет самолета с двигателем на легком топливе конструкции братьев У. и О. Райт (знаменитого «Flyer 1») состоялся в 1903 г. в США. Братья Райт одними из первых разработали наиболее оптимальную схему планера (биплан), размещения на нем двигателя и систему управления. Бипланы на несколько десятилетий заняли главенствующее место в авиации Америки и Европы, лишь в середине 1920;х гг. постепенно уступая это место монопланам — конструкции, принятой в современной авиации. В 1915 г. в Германии был создан первый цельнометаллический самолет («Юнкерс-Jl»).

Впрочем, говорить об авиации как о направлении техники, которое шло вслед за опытом, не совсем верно: часто открытия в этой области предваряла теория. Авиационная теория родилась меньше чем через год после полета самолета братьев Райт — в 1904 г. вышла работа профессора Московского университета Н. Е. Жуковского (1847—1921), где автор предложил закон определения подъемной силы самолета. Впоследствии он же произвел ряд исследований в области профилей крыльев, теории воздушного винта и т. п. Его работы стали первыми в этой сфере и положили начало практическому авиастроению.

Если путь авиации строился на пробах и ошибках, был тернист и сопровождался довольно большим количеством жертв и катастроф, то с космонавтикой и ракетостроением дело обстояло несколько иначе. Космонавтика начиналась как целый комплекс теоретических исследований. Интерес к межпланетным полетам возник в связи с развитием ракетной техники для военных целей. В России теоретиками космических полетов выступили Ф. А. Цандер (1887—1933), К. И. Циолковский (1857—1935) и Ю. В. Кондратюк (1897—1942). При некоторой фантастичности отдельных идей этих исследователей они описали множество новаций, которым впоследствии было суждено стать инновациями — например, Цандер предложил принципиальную схему крылатой ракеты, Кондратюк высказал идею связки «ракета — пилотируемый корабль» (позже реализована в проекте «Аполлон») и рассчитал наиболее оптимальную траекторию полета к Луне, а Циолковский предложил идею составных (ступенчатых) ракет. Сама ракета должна была работать на жидком топливе (смеси водорода и кислорода, — эта смесь используется и в некоторых современных ракетоносителях). В Германии в это же время плодотворной теоретической работой в области космонавтики занимался Г. Оберт, развивший идеи Циолковского и внесший огромный вклад в теоретическое обоснование полетов в околоземное пространство. В США подобной работой занимался Р. Годдард, создавший несколько небольших ракет (запатентованы в 1914 г.). Во Франции активно работал Р. А. III. Эсно-Пельтри, предложивший различные варианты ракетного топлива и впервые высказавший идею о возможности достижения сверхвысоких скоростей при помощи двигателя на ядерном топливе.

Начало практической космонавтике было положено учеником Г. Оберта В. Фон Брауном (ракета V2, построенная по его проекту в рамках германской военной программы, в 1942 г. впервые вышла за пределы атмосферы). В Советском Союзе в 1931—1933 гг. существовало несколько групп изучения реактивного движения (ГИРД), самые известные из которых находились в Ленинграде и Москве. Руководителем и идейным вдохновителем московской группы стал С. П. Королёв, создавший ряд экспериментальных ракет, ракетопланера и двигателей для ракет. Позже ГИРД преобразуется в Реактивный институт (1933—1944).