Помоги проекту - поделись книгой:
Научная карьера фон Гельмгольца была довольно любопытной: он начинал как врач, а закончил как физик, пройдя через физиологию и изучение физики и математики, необходимых для понимания моделей и теорий, развивавшихся в его время. Это дало ему обширные знания в различных научных дисциплинах. Его знакомство с Томсоном состоялось в 1855 году. Удивленный фон Гельмгольц писал жене:
Удивление фон Гельмгольца имело под собой основания: Томсону исполнился только 31 год.
ГЛАВА З
Томсон-инженер
Кроме того что Уильям Томсон внес значительный вклад в становление термодинамики, он также был прекрасным инженером, работавшим над разнообразными темами. Пользуясь той же методикой, которая принесла ему успех в науке, он приступил к решению различных технологических проблем, получив несколько патентов и участвуя в масштабных проектах.
Вся эта деятельность позволила ученому заработать огромное состояние.
В 1889 году была образована компания Niagara Falls Power Company для строительства завода по производству электроэнергии на Ниагарском водопаде. Предприятие рассчитывало на участие Cataract Construction Company в качестве дочерней компании и на финансирование со стороны магнатов Уильяма Вандербильта, Джона Моргана и Джона Астора (последний считался самым богатым человеком своего времени, он погиб при крушении «Титаника» ). Президентом компании был Эдвард Адамс. Cataract Construction Сотрапу финансировала создание Международной ниагарской комиссии, в состав которой вошли Уильям Анвин, британский специалист по гидравлике, Теодор Турреттини, швейцарский инженер с обширным опытом строительства гидростанций, Элётер-Эли-Никола Маскар, французский физик, исследователь в сфере оптики, электромагнетизма и метеорологии, Коулмен Селлерс, американский инженер и исследователь, и Уильям Томсон, возглавивший комиссию.
Целью комиссии было решение двух важных проблем: как вырабатывать электричество на водопаде и, особенно, как передавать его на большие расстояния для коммерческого использования. Первая проблема была решена довольно легко с помощью турбин, построенных женевской компанией Faesch & Piccard. Однако передача произведенной энергии была в то время довольно сложным делом. Комиссия объявила конкурс решений со значительной премией (22 тысячи долларов), и в итоге была принята трехфазная система переменного тока, которую за несколько лет до этого изобрел сербский инженер Никола Тесла (1856-1943).
Компания Westinghouse Electric & Manufacturing Соmраnу отвечала за монтаж систем. Станция произвела первую энергию 26 августа 1895 года, а 15 ноября следующего года произведенное электричество дошло до города Буффало, расположенного на расстоянии примерно 30 км.
В 1890 году Томсон был избран президентом Королевского общества, сменив на этом посту своего друга Стокса. В то время он уже носил титул сэра: королева Виктория посвятила ученого в рыцари за участие в инженерном проекте по прокладке трансатлантического телеграфного кабеля, что принесло ему международную известность.
Уильям Томсон
Прокладка первого трансатлантического телеграфного кабеля оказалась очень масштабным предприятием для своего времени. После пяти попыток к сентябрю 1866 года два кабеля соединили Фойлхоммерум Бей на острове Валентия (Ирландия) с Хартс Контентом (Ньюфаундленд) и Лабрадором (Канада). Инициатором проекта был Сайрус Филд, американский финансист и бизнесмен, который решил реализовать идею Фредерика Гисборна, канадского изобретателя, мечтавшего проложить телеграфную линию между различными территориями Новой Шотландии (Канада). В 1856 году совместно с англичанами — инженером-телеграфистом Джоном Бреттом и инженером-электриком Чарльзом Брайтом — Филд основал Atlantic Telegraph Company, имевшую целью продолжить и коммерчески эксплуатировать кабель между Европой и Америкой. В качестве главного электрика к компании присоединился Эдвард Уайтхаус. Проект получил одобрение американца Сэмюэла Морзе, одного из авторов кода, носящего его имя. Филд добился частичного финансирования проекта со стороны правительств Великобритании и США, а также сам пожертвовал четверть необходимых средств, которая составила примерно 10 миллионов евро по сегодняшнему курсу.
Первая попытка прокладки состоялась в 1857 году, в ней участвовали два самых крупных военных корабля того времени — «Агамемнон» (со стороны Британии) и «Ниагара» (со стороны США). Но уже через день кабель вышел из строя. Летом 1858 года была предпринята вторая попытка. Два корабля встретились на полпути, каждый из них перевозил половину кабеля. После состыковки фрагментов началась прокладка, которая закончилась раньше времени из-за обрыва кабеля «Ниагары»; к тому времени было проложено более 350 км. Через месяц была предпринята новая попытка. В этот раз оба корабля достигли своих берегов. Королева Виктория и президент Джеймс Бьюкенен обменялись 16 августа первыми сообщениями. Эффективность новой связи была не очень высокой: чтобы послать сообщение королевы, включающее 98 слов, потребовалось 16 часов.
В 1856 году Томсон был назначен научным консультантом Atlantic Telegraph Company. Одной из основных проблем передачи была низкая интенсивность сигнала, затруднявшая расшифровку сообщений. Уайтхаус запатентовал устройство, малочувствительное к получению и требовавшее использования высокого напряжения при отправке, чтобы гарантировать минимально различимый сигнал. Решение поддержали Фарадей и Морзе, но Томсон считал, что оно вызовет проблемы, в частности может повредить изоляцию кабеля.
По этой причине Томсон выступал за использование низкого напряжения, а так как это предполагало чрезвычайно слабые сигналы, разработал принимающее устройство, которое назвал зеркальным гальванометром и запатентовал в 1858 году. На самом деле ученый улучшил изобретение, сделанное немецким физиком Иоганном Христианом Поггендорфом в 1826 году.
Гальванометр — это аппарат, позволяющий зафиксировать и измерить электрический ток. Прибор (см. рисунок 1) состоит из катушки, к которой подсоединена индикаторная стрелка. Катушка помещается внутрь постоянного магнитного поля (производимого, например, постоянным магнитом) так, что она может вращаться вокруг оси, перпендикулярной ее плоскости. Когда ток, который нужно измерить, проходит через катушку, она вращается под воздействием магнитного поля, и при надлежащей калибровке можно измерить силу тока на основе угла вращения, определяемого с помощью индикаторной стрелки.
Сигналы, посылаемые по кабелю, представляют собой сообщения на азбуке Морзе, то есть последовательность точек и тире. Каждый из этих символов обозначался с помощью тока различного знака. Точки и тире, следовательно, вызывали перемещение стрелки гальванометра влево и вправо (и наоборот) от положения равновесия, которое соответствовало отсутствию сигнала. Но так как интенсивность сигналов при получении была очень низкой, возникали сложности в определении: так сдвинулась стрелка или нет.
Томсон изменил конструкцию гальванометра (см. рисунок 2 на следующей странице). Он убрал стрелку и увеличил катушку, которая стала неподвижным элементом устройства. В центр катушки, внутрь воздушной камеры, он поместил небольшое искривленное зеркало, повешенное на тонкой шелковой нити, с крошечными магнитами, прикрепленными к его задней части. На зеркало он направил узкий луч света от лампы, который после отражения проецировал световую точку на шкалу, расположенную на расстоянии нескольких метров. Когда ток, принимаемый в кабеле, вызывал вращение катушки, магниты заставляли вращаться зеркало, и световая точка перемещалась в ту или иную сторону от нулевого деления шкалы. Воздух в камере, где было расположено зеркало, сжимался, в связи с чем колебания, которые могли возникнуть после каждого сигнала, максимально сокращались. Увеличенное отражение позволяло намного легче различить движения, даже когда они были очень незначительными. Зеркальный гальванометр также использовался для обнаружения дефектов в конструкции кабелей. Томсон придумал и другие средства для их применения на борту при прокладке кабеля, чтобы собственные движения корабля не вызывали нежелательных перемещений стрелки.
Спор между Томсоном и Уайтхаусом было сложно разрешить, потому что один оппонент находился на европейском конце кабеля, а второй — на американском. Сначала Уайтхаус как главный электрик проекта настаивал на своем мнении, но Томсон был уверен: высокое напряжение способно повредить изоляцию кабеля. В результате интенсивность принятого сигнала снизится, и для решения этой проблемы потребуется еще больше увеличивать напряжение. В итоге так и вышло, и участники проекта начали использовать зеркальный гальванометр, однако кабель уже был поврежден. Через несколько дней он перестал работать, и на компанию обрушилась критика за то, что она наняла Уайтхауса, который на самом деле был врачом в отставке и электриком-самоучкой, то есть не имел необходимой квалификации.
Филд довольно долго не предпринимал новых попыток прокладки. В 1864 году он смог достать средства и создал новое предприятие — Telegraph Construction and Maintenance Company, - которое взяло на себя производство кабеля и его прокладку с помощью корабля Great Eastern. Несмотря на то что опыт других, более коротких прокладок, осуществленных в Средиземном и Красном морях, позволил внести значительные изменения в конструкцию кабеля, снова произошел обрыв - на этот раз после прохождения почти 2000 километров. Новая попытка состоялась 15 июля 1865 года.
Филд не отступал от своих намерений. Он создал Anglo-American Telegraph Соmраnу и 13 июля 1866 года предпринял новую попытку, опять с помощью Great Eastern. Его команда достигла канадского берега 27 числа того же месяца, а на следующий день выяснила, что кабель работает. Корабль снова вышел в море 9 августа, чтобы найти кабель, потерянный в прошлом году, и дополнить его недостающим куском. А 7 сентября небывалый проект был завершен. Новый кабель работал 6 лет, восстановленный - 12.
После неудачи 1858 года роль Томсона в проекте значительно выросла. Итоговый успех во многом был связан с применением его научного подхода к решению практической проблемы. Первый вопрос, стоявший перед ученым, заключался в необходимости установления строгого контроля над изготовлением кабеля. При двух первых попытках производство поручили двум разным фабрикам, не дав им детальных указаний. Фабрики изготовили фрагменты длиной две мили, и каждый производитель переплел медные жилы кабеля в противоположных направлениях, тем самым сильно затруднив соединение кусков.
Томсон также очень внимательно относился к чистоте используемой меди. Например, он проанализировал проводимость кабеля 1857 года и нашел значительное снижение качества в некоторых его частях. В июне 1857 года он представил Королевскому обществу статью под названием «06 электрической проводимости коммерческой меди», в которой приводил результаты сравнения многочисленных образцов. Так Томсон добился того, чтобы в контрактах на изготовление кабеля 1858 года уточнялись не только вес и размер жил, но и их химический состав, электрическая проводимость, а также оговаривалась необходимость фабричного контроля. В контракте на изготовление такой язык использовался впервые. Также ученый разработал необходимые устройства контроля и добился, чтобы был проверен практически каждый сантиметр кабеля, при этом участки, не удовлетворявшие заданию, отвергались. Томсон - снова впервые - заложил основы того, что сегодня называют контролем качества.
Кроме того, проблемы, стоявшие в то время перед Томсоном, выходили за пределы области электричества. В 1857 году он смоделировал процесс сбрасывания кабеля с кормы корабля, что позволило ему сформулировать дифференциальные уравнения, учитывавшие задействованные силы, и, зная скорость корабля и диапазон углов кабеля при вхождении в воду, ученый смог установить причину разрыва, которая состояла в напряжении, оказанном на кабель системой торможения. Благодаря расчетам Томсона были внесены изменения в процесс сбрасывания кабеля и уточнены детали соответствующих операций.
Постоянный контроль также позволял находить новые характеристики поведения кабеля. Так, в свидетельстве, которое подписали ответственные за проект в 1865 году, значилось:
Работа Томсона над проектом прокладки трансатлантического телеграфного кабеля оказалась неблагодарной. Он не получил за нее никакого вознаграждения, поэтому удивляет его преданность этому проекту в течение всего долгого периода его реализации, особенно если учитывать образование Томсона и его предыдущие интересы, в основном связанные с теоретическими научными исследованиями. Его отец и особенно брат Джеймс интересовались практическими вопросами намного больше. Фон Гельмгольц познакомился с Джеймсом во время визита, который нанес в Глазго в 1863 году. Он так отзывался о брате ученого:
Причины, по которым Томсон так углубился в проблемы телеграфии, были довольно тривиальными. Речь шла о технологии, основанной на использовании электричества. В этой сфере Томсон был экспертом, его интересовали процесс распространения сигналов в металлических проводах и их поведение в изоляторах с научной точки зрения. Но проблемы, связанные с использованием подводных кабелей, привели к тому, что он полностью погрузился в их решение.
В отличие от того, что происходит с наземными кабелями, в которых сигналы с одного конца почти мгновенно и без видимых искажений доходят до другого конца, в случае с подводными кабелями сигналы принимались с большими трудностями и искажались до такой степени, что часто было сложно различить, действительно получено какое-то сообщение или это просто помехи. Кроме того, в 1823 году английский метеоролог и изобретатель Фрэнсис Рональде заметил, что в закопанных кабелях сигналы подвергаются при передаче значительным задержкам, а под водой этот эффект был выражен еще сильнее.
В 1853 году Джордж Биддель Эйри, английский астроном и математик, а также королевский астроном и директор Гринвичской обсерватории (Англия), пытался проложить телеграфную линию к Парижской обсерватории, чтобы синхронизировать наблюдения, осуществляемые одновременно из обеих точек. Задержка сигналов была для него большой проблемой, и Эйри проконсультировался с английским инженером-электриком Джозайей Кларком, который сравнил поведение кабеля длиной примерно 150 м, свернутого и погруженного в бассейн, с поведением кабеля длиной примерно 2 км, образующего круг над открытой территорией. В первом кабеле были очевидны задержка и потеря четкости сигнала, и это зафиксировал Фарадей, присутствовавший при одном из испытаний.
Следуя, как всегда, своей интуиции, Фарадей дал этому качественное объяснение, которое позже опубликовал в «Философском журнале». Любой электрический сигнал, который передается по кабелю, создает вокруг себя «электронное возмущение». Если кабель окружен сухим воздухом, не происходит ничего значительного. Но вода обладает электрической проводимостью, которой нельзя пренебрегать. Эта проводимость явно больше проводимости сухого воздуха, следовательно, когда кабель погружают в воду, появляются местные индуцированные электрические токи, которые тормозят исходящий сигнал. В статье Фарадей, как это было характерно для него, не приводил никаких конкретных расчетов, ограничиваясь только изложением своего видения проблемы.
Однако публикация Фарадея заинтересовала Уильяма Роуэна Гамильтона, который на собрании Британской ассоциации развития науки в 1854 году, прошедшей в Ливерпуле, обратился к Томсону за консультацией на этот счет. Томсон посоветовал Гамильтону побеседовать со Стоксом, что тот и сделал. Но Стокс не смог решить вопрос и снова передал проблему Томсону, который в итоге сформулировал основные уравнения телеграфии. Сделал он это исключительно чтобы удовлетворить свое любопытство. В первом из писем, которыми Томсон обменялся со Стоксом, после краткого вступления («Когда я перечитывал твое письмо этим утром, чтобы ответить на него, я понял, что все это должно вычисляться следующим образом») ученый привел все необходимые действия для анализа передачи электрических сигналов в изолированных подводных кабелях.
В декабре этого же года Томсон написал Стоксу письмо, в котором просил его не публиковать полученные результаты, поскольку он совместно с Ранкином и Джоном Томсоном (братом Уильяма, преподавателем медицинской практики в Университете Глазго) подал заявку на патент. При этом Томсон не обладал никакими знаниями в вопросах, связанных с промышленностью и интеллектуальной собственностью. Так, в письме брату Джеймсу он отмечал:
Внезапно, как это часто происходит с учеными, которые вступают в прикладные области, Томсон открыл для себя правила, действующие в промышленной сфере и очень отличающиеся от возвышенных академичексих норм.
Интерес Томсона к технологическим и прикладным аспектам физики не был новым. В этом смысле решающую роль сыграла лаборатория, которую он начал оборудовать, как только приехал в Университет Глазго в 1846 году. Кроме достижения основных целей (дополнять теоретическое образование и получать новые экспериментальные данные, необходимые для развития научных теорий), это помогло Томсону разработать новые измерительные приборы, особенно в области электромагнетизма. Ученый тесно сотрудничал с фирмой Jаmеs White Optician and Philosophical Instrument Makers: основанная в Глазго в 1850 году, она со временем изготовила и ввела в торговый оборот многие устройства, придуманные Уильямом.
Модель кабеля, изготовленная Томсоном, была относительно простой. Кабель состоял из медной жилы, окруженной изолятором и водоупорной защитой. Томсон предположил, что это равносильно сочетанию сопротивления и конденсатора, особые характеристики которых определялись конкретными деталями кабеля. В этой модели электрическое поведение кабеля было простым: чем больше толщина медной жилы, тем меньше сопротивление; чем шире изолирующий слой, тем меньше соответствующая способность конденсатора. Последний отвечал за накопление заряда по мере того, как электрический импульс проходил по кабелю. Томсон вычислил время, необходимое сигналу на то, чтобы дойти до другого конца кабеля, и выяснил, что при неизменном значении сопротивления и пропускной способности время пропорционально квадрату длины кабеля. Этот результат для проекта трансатлантического кабеля обескураживал, но Томсон не терял надежды, отмечая, что при достаточно интенсивном сигнале, некотором терпении со стороны операторов и, безусловно, довольно низкой стоимости передачи сигнала общение все же возможно.
Томсон опубликовал эти результаты в статье под названием «Ü теории электрического телеграфа», в которой снова провел аналогию с теорией Фурье: переданный электрический импульс аналогичен теплу, движущемуся через твердое металлическое тело. Томсон очень любил проводить аналогии между проблемами из разных областей, и это его пристрастие было общеизвестным.
Некоторые экспериментаторы, в частности английские инженеры Генри Дженкин и Кромвель Флитвуд Варли, подтвердили расчеты Томсона. Но закон квадратов — как стали называть полученное ученым отношение - вызывал споры. В 1856 году на собрании Британской ассоциации развития науки Уайтхаус представил результаты, противоречащие выводам Томсона. Основываясь на смутных экспериментах и недостоверных гипотезах, он сделал вывод, что время передачи должно быть пропорционально длине кабеля (а не ее квадрату), и не без некоторой чванливости указал:
После этого представления между Томсоном и Уайтхаусом состоялся обмен репликами, во время которого каждый защищал свою позицию. Первый выявил неточиости в экспериментах второго; тот ответил, что расчеты оппонента сделаны на основе идеальной модели. Независимо от того, понял ли Уайтхаус предложение Томсона, также верно, что анализ последнего не был и не мог быть полным. Однако ученый верил в полученные результаты, что полностью подтверждают сказанные во время дебатов с Уайтхаусом слова: «Как и любая теория, эта является всего лишь сочетанием установленных истин». Очевидно, что такой подход не гарантирует абсолютной точности. Подводный кабель был намного более сложным объектом, чем способна описать модель, а с другой стороны - разработка электромагнитной теории также еще не была завершена. И все же у анализа Томсона было два преимущества. Одно - общего характера: рационализация, которая предполагала подход к проблеме с научной точки зрения. Другое - более прагматичное: он объяснял, хотя и очень приблизительно, поведение подводных кабелей.
О том, чем история закончилась, мы уже рассказали. Некоторые замечания Томсона были учтены при строительстве кабелей, и в итоге связь была установлена, а ученый получил титул сэра.
Не оставляя телеграфии, Томсон с 1867 по 1870 год занимался разработкой так называемого сифонного отметчика (или регистратора). Использование зеркального гальванометра позволило осуществить связь с помощью трансатлантического кабеля, но за световой точкой требовалось постоянное наблюдение. С помощью сифонного отметчика Томсон хотел автоматизировать прием сообщений, которые записывались бы при получении на бумажную ленту. Также ученый занимался поддержанием точности зеркального гальванометра.
Поделиться книгой: