6. РАЗВИТИЕ ПРИБОРОВ

В рассматриваемый период в условиях развивающегося капиталистического машинно-фабричного производства все заметнее стала обозначаться тенденция расширения и углубления взаимосвязей производства и науки. Совершенствование техники и технологии крупного машинного производства уже не могло базироваться только на эмпирических научных знаниях. Возникла необходимость сознательного и постоянного использования науки для изучения различных практических задач. К. Маркс писал, что «вместе с распространением капиталистического производства научный фактор впервые сознательно и широко развивается, применяется и вызывается к жизни в таких масштабах, о которых предшествующие эпохи не имели никакого понятия» (Маркс К., Энгельс Ф. Соч., т. 47, с. 556).

В ряду задач, связанных с использованием научных достижений в производстве, все большее значение стало отводиться созданию и совершенствованию различных приборов и измерительных инструментов, их использованию в теоретических исследованиях и практической (производственной) деятельности. Во второй половине XVIII в. и особенно в XIX в. заметно расширилась сфера применения большинства известных уже 100-150 лет точных приборов. Они постепенно проникают в различные области науки и отрасли техники. Так, например, микроскопы стали использовать не только для медико-биологических целей, но и в химии, и в металлургии, зрительные трубы - не только в астрономии, но и в геодезии, и в маркшейдерии, термометры - не только в метеорологии, но и в медицине, и в металлургии.

Разработанная X. Гюйгенсом еще в XVII в. теория маятника легла в основу изготовления не только часов, но и маятниковых приборов, получивших в XIX в. широкое применение в геофизике для исследования ускорения силы тяжести в разных пунктах земной поверхности, необходимых для определения фигуры Земли [1].

Со второй половины XVIII и особенно в XIX столетии в процессе конструирования, изготовления и эксплуатации наблюдательных и измерительных инструментов и приборов для проведения многочисленных научных экспериментов выявлялись наиболее удобные формы их узлов (например, вместо прямых зрительных труб стали использовать ломаные, вместо круглых уровней - цилиндрические) и отдельных деталей, подбирались подходящие материалы: дерево все более вытеснялось металлом - медью, бронзой, железом, сталью, латунью, а затем и специальными сплавами, дающими минимальные температурные деформации.

Изобретение суппорта к токарному станку и дальнейшие усовершенствования металлорежущих станков дали возможность придавать необходимую конфигурацию деталям машин и инструментов, что, в свою очередь, позволило повысить точность и качество создаваемых приборов. Повышению качества и увеличению количества точных приборов в значительной степени способствовало изобретение делительных машин (примитивные делительные приспособления использовались еще в конце I тыс.; их конструировал и описал в свое время ал-Бируни) [2, 3]. Механическое деление для разметки зубцов на зубчатых колесах с помощью специально размеченного колеса пытались ввести и часовые мастера. Но только в 60-х годах XVIII в. почти одновременно де Шолнес во Франции и Д. Рамсден в Англии предложили способы полной механизации первоначального деления круга [4]. Примерно к 1780 г. Рамсден усовершенствовал свою делительную машину, конструкцию которой к концу столетия уже широко использовали для разделения круговых и линейных шкал. Это изобретение Рамсдена сыграло очень важную роль в развитии приборостроения.

Д. Рамсден и его делительная машина (вторая половина XVIII в.)

Ведущее место в развитии приборостроения рассматриваемого периода занимало оптическое приборостроение. Созданием оптических приборов занимались крупнейшие ученые XVIII в. Среди них был и М. В. Ломоносов. Уже в первый год своего пребывания в Петербургской академии наук (1741 г.) он представил сочинение «Рассуждение о катоптрико-диоптрическом зажигательном инструменте» [5].

Катоптрико-диоптрический зажигательный инструмент. Чертеж М. В. Ломоносова (1741 г.)

К теме создания зажигательных оптических инструментов обращался и другой ученый XVIII в. А. Л. Лавуазье. В своем мемуаре «Размышления о методе применения солнечных лучей к физическим исследованиям» он дал описание знаменитой солнечной установки для получения «сверхвысокого жара». Эта установка, сконструированная по указаниям Лавуазье в 1772 г., имела большую двояковыпуклую линзу диаметром около 1,5 м и была собрана из двух вогнуто-выпуклых линз, пространство между которыми было заполнено жидкостью. Конструкция этой установки была спроектирована так, что один человек мог без труда изменять угол наклона гигантской линзы и поворачивать всю платформу в направлении на Солнце [6].

Солнечная установка Лавуазье 1772 г. для получения сверхвысокого жара (из мемуара 'Размышления о методе применения солнечных лучей к физическим исследованиям')

Таким образом, зажигательные оптические инструменты сыграли важную, прогрессивную роль в развитии оптики. Создание этих инструментов привлекло к занятиям практической оптикой многих выдающихся ученых и способствовало процессу переноса естественнонаучного знания в оптике в прикладную область.

После того как благодаря исследованиям И. Ньютона, Ч. Холла, Л. Эйлера и Д. Доллонда в середине XVIII в. была создана практическая конструкция ахроматического телескопа, эти оптические инструменты начали строить на многих заводах мира.

Начиная с 1757 г. ахроматические телескопы стали изготовлять на оптических заводах Б. Мартина, и через короткий промежуток времени ахроматический телескоп можно было приобрести во многих оптических мастерских Англии. Интересно отметить, что стоимость ахроматических телескопов определялась их длиной и продавались они, согласно прейскуранту 1777 г. Джорджа Адамса, по цене 16 шиллингов за фут. Длина ахроматических телескопов составляла в то время от 1 до 8 футов.

Появились и получили распространение ахроматические телескопы и во Франции. 4 мая 1761 г. парижский оптик К. С. Пассман продемонстрировал перед королем Людовиком XV ахроматическую подзорную трубу длиной 1 м. 30 сентября 1763 г. тот же оптик создал карманную зрительную трубу длиной всего 8 см с ахроматическим объективом диаметром около 4 см, который состоял из трех линз.

В Голландии во второй половине XVIII в. ахроматические телескопы изготовляли на оптическом заводе Яна ван Дейла и его сына Германуса ван Дейла. Первоначальные сведения об изготовлении ахроматических телескопов в Германии относятся к 1764 г. Эти телескопы по своему качеству не уступали английским.

Следующий шаг в развитии ахроматического телескопа связан с именем немецкого физика Йозефа Фраунгофера, который в детстве работал учеником в зеркальной и стекольных мастерских. В 1806 г. он поступил на службу в известную в то время крупную оптическую мастерскую в Бенедиктбейерне (Бавария); позднее стал ее руководителем и владельцем. Выпускавшиеся мастерской Фраунгофера оптические инструменты получили широкое распространение во всем мире. Он ввел существенные усовершенствования в технологию изготовления больших ахроматических объективов телескопов, изобрел новый станок для полировки линз, разработал методику контроля поверхностей линз. Ученый существенно усовершенствовал методику измерений дисперсии оптических стекол, что открыло путь к созданию более совершенных ахроматических объективов.

Телескоп-рефрактор И. Фраунгофера (1824 г.). Диаметр объектива 9 дюймов (22,8 см). На инструменте имеется гравированная надпись 'Utzschneider and Fraunhojer in Munchen'. С 1825 г. по 1839 г. с этим инструментом в Тартуском университете работал В. Я. Струве

Окуляры телескопов также существенно изменились. Во второй половине XVIII в. был введен двухлинзовый окуляр И. Рамсдена, допускающий возможность применения окулярного микрометра и получивший вследствие этого широкое распространение [7].

Создание ахроматических телескопов вызвало значительные успехи в астрономии, открыв в XVIII в. дорогу к дальнейшему развитию астрономических приборов и инструментов. Кроме того, появилась возможность измерять при помощи оптических инструментов положения множества слабых звезд. Открытие ахроматической оптики дало мощный толчок развитию оптического приборостроения и ускорило процесс проникновения оптики в астрономию, биологию, медицину и другие естественные науки.

Наряду с телескопами - рефракторами получили существенное развитие и телескопы - рефлекторы (зеркальные телескопы). Крупный вклад в конструирование таких телескопов внес английский астроном В. Гершель. Он собственноручно изготовил несколько десятков телескопов-рефлекторов. Стремясь к уменьшению потерь света и к увеличению яркости изображения, Гершель упростил их конструкцию. Он слегка наклонил главное зеркало, что позволило исключить из конструкции телескопа дополнительное малое плоское зеркальце. Такая система была им испытана на зеркальном телескопе длиной 6 м. При помощи этого инструмента в 1787 г. были открыты два спутника планеты Уран - Оберон и Титания. В иностранной литературе такая конструкция зеркального телескопа получила название «система Гершеля», хотя еще в 1762 г. подобная система была изобретена и практически осуществлена М. В. Ломоносовым. Постепенно увеличивая диаметры изготовляемых вогнутых зеркал, Гершель в 1789 г. отшлифовал самое большое из них - диаметром около 1,2 м. Это зеркало было использовано в огромном зеркальном телескопе длиной в 40 футов (12 м). В то время это был величайший в мире рефлектор.

Зеркальный телескоп Вильяма Гершеля (середина XVIII в.)

XVIII в. - период подлинного расцвета микроскопии. В рассматриваемый период микроскоп становится необходимым прибором в руках исследователей. Им начинают широко пользоваться естествоиспытатели и инженеры.

В первой половине XVIII в. большее распространение получил микроскоп по схеме Р. Гука с третьей линзой в качестве коллектива [8]. Двояковыпуклый коллектив располагался примерно посредине между линзами объектива и окуляра. Введение коллектива в микроскоп увеличивало его поле зрения и делало изображение рассматриваемого предмета более отчетливым. Увеличение таких микроскопов составляло от 40 до 140 крат. Начиная примерно с 40-х годов XVIII века микроскоп комплектовали набором объективов с разными фокусными расстояниями, что позволяло менять увеличение микроскопа в нужных пределах. Следует отметить, что сферическая и хроматическая аберрации в микроскопах по схеме Гука достигали значительной величины и вносили существенные искажения в изображение.

Универсальный микроскоп 'Георг - III' (1759 г.) Д. Адамса. Экспонат Музея истории науки в Оксфорде

Последний существенный шаг в усовершенствовании микроскопа был сделан немецким оптиком Гертелем. В 1716г. Гертель ввел в конструкцию микроскопа вращающийся предметный столик и зеркало подсвета, помещенное под ним. Это привело к значительному улучшению изображения при рассматривании прозрачных объектов в проходящем свете. Однако только в 30-х годах XVIII в. такие микроскопы получают широкое распространение [9].

Дальнейшее улучшение качества изображения микроскопа нужно было искать в исправлении сферической и хроматической аберраций. В 1784 г. в Петербурге академик Ф. Т. У. Эпинус на основе теоретических исследований Л. Эйлера рассчитал и изготовил первый в мире ахроматический микроскоп [10]. Сообщение об этом изобретении было сделано Эпинусом на заседании конференции Петербургской академии наук 8 апреля 1784 г. Более совершенная конструкция этого микроскопа была изготовлена в двух экземплярах уже после смерти Эпинуса в 1808 г. мастером-оптиком И. Г. Тидеманом в Штутгарте. Этот уникальный инструмент, являющийся родоначальником ахроматических микроскопов, хранится в Политехническом музее (Москва).

Ахроматический микроскоп Ф. Т. У. Эпинуса, сконструированный в 1805-1808 гг

В дальнейшем многие оптики в разных странах пытались независимо друг от друга усовершенствовать первую конструкцию ахроматического микроскопа, и в частности уменьшить его длину, вес и сделать более удобным в эксплуатации. В 1816 г. итальянский физик Л. Б. Амичи предложил весьма удачную конструкцию зеркально-отражательного микроскопа, а в 1826 г. английские оптики В. Даллей и Д. Листер создали очень удобный ахроматический микроскоп вертикального типа.

Конструкция оптической части микроскопа Ф. Т. У. Эпинуса. Справа - трехлинзовый ахроматический объектив; слева - двухлинзовый окуляр

Тридцатые годы XIX в. - период бурного расцвета оптического производства. Появляется ряд фирм: французские фирмы Иашэ и Обергейзера, немецкие фирмы Пистор и Шик, Утцшнейдер и Фраунгофер, австрийская фирма Плесль. Фабричное производство микроскопов и конкуренция между отдельными фирмами приводят к значительному удешевлению этих приборов и широкому их распространению. Особо следует отметить немецкую фирму, основанную в 1846 г. Карлом Цейссом в Йене. С деятельностью этой фирмы связан прогресс дальнейшего развития всего оптического приборостроения. Мировую известность фирма Карла Цейсса добилась благодаря участию в ее работе замечательного оптика Эрнста Аббе [11].

Во второй половине XIX в. заметных успехов достигла и русская инструментальная оптика. Так, в 1868-1895 гг. Г. И. Вилд сконструировал большое число разнообразных поляризационных и фотометрических инструментов. Пользуясь фотометрами Вилда, русский физик О. Д. Хвольсон провел серию интересных фотометрических исследований.

В результате им были написаны (1886-1889 гг.) две работы: «Фотометрические исследования внутренней диффузии» и «Основы математической теории внутренней диффузии», а также проведен ряд важных исследований по изучению солнечной радиации. Значительный вклад в развитие инструментальной оптики был сделан также профессором Петербургского университета Ф. Ф. Петрушевским. В 1859 г. он создал оригинальную конструкцию оптического микрометра к телескопу-рефрактору, а в 1872-1873 гг. он разработал «Лунный спектрофотометр». Петрушевским были выполнены также важные исследования по использованию оптики в военном деле (построен оптический дальномер и разработаны способы улучшения работы различных осветительных устройств).

В XIX в. появились различные принципиально новые приборы, созданные на основе научных открытий и изобретений.

Из открытий и изобретений XIX в. особенно важное значение для последующего развития науки и техники имели изобретение фотографии, разработка спектрального анализа и создание различных электроизмерительных приборов.

Светочувствительный эффект солей серебра был известен в самом начале XIX в., но развитие собственно фотографии началось в 1829-1839 гг. с работ французских изобретателей Н. Ньепса, Л. Ж. Дагера и английского ученого У. Г. Ф. Тальбота. Им принадлежит заслуга в изобретении способа получения неисчезающих изображений, названного дагерротипией,- первого из получивших распространение способов фотографии и современного способа фотографического негативно-позитивного процесса [13].

Сразу же после изобретения фотографии начинается конструирование самых разнообразных фотографических объективов. Наиболее крупных успехов в создании фотографической оптики в первой половине XIX в. достиг И. Петцваль. В 1840 г. он построил знаменитый портретный объектив, имеющий хорошую для того времени аберрационную коррекцию и получивший вследствие этого широкое распространение. Однако самый расцвет фотографической оптики приходится на вторую половину XIX в.

Ахроматический микроскоп английских оптиков В. Т аллея и Д. Листера (1826 г.)

В начале XIX в. были заложены основные методы оптической спектроскопии [14]. Первый практический спектроскоп был сконструирован в 1859 г. Г. Кирхгофом и Р. Бунзеном. Как только спектроскоп был построен в его практически применимой форме, он был сразу же использован в химии как мощное средство качественного анализа. С помощью спектроскопа были открыты многие химические элементы (цезий, рубидий, гелий, галлий, индий, таллий и др.). Кроме того, спектральный анализ оказал такую значительную помощь при разделении различных редкоземельных элементов, что открытием большинства из них мы обязаны спектроскопу.

Дальнейшее развитие спектрометров связано с использованием в их конструкции дифракционной решетки, существенно увеличившей эффективность этого инструмента. В 1821 г. дифракционная решетка впервые была использована И. Фраунгофером для точного измерения длин волн. Первые дифракционные решетки состояли из тонкой серебряной проволоки, натянутой на латунную рамку. Использование инфракрасного излучения вызвало в дальнейшем подлинную революцию в спектроскопии. Появился новый класс приборов и соответственно новая область науки и техники - инфракрасная спектроскопия.

Во второй половине XIX в. спектроскоп становится основным прибором практически во всех областях химии.

Развернувшиеся в первой половине XIX в. исследования электричества и его практическое использование неразрывно связаны с успехами в области создания различных электроизмерительных приборов.

В 1745 г. в Петербурге Г. В. Рихман сконструировал «электрический указатель», в котором интенсивность электризации измерялась по углу отклонения от вертикали льняной нити длиной около 50 см, прикрепленной верхним концом к вертикальной линейке [15]. Это был, по-видимому, первый в истории электроизмерительный прибор. Интересно отметить, что вплоть до 1780 г. все электростатические приборы применяли в открытом виде и не помещали в футляры. Это вносило существенные помехи и снижало точность измерений.

'Электрический указатель' Г. Рихмана (1745 г.)

Конец XVIII - начало XIX в. ознаменовались изобретением «гальванических» источников постоянного электрического тока. В 1799- 1800 гг. была создана вольтова батарея, или вольтов столб [16], что положило начало широким экспериментальным работам с постоянным электрическим током.

В 1821 г. величайший мастер эксперимента М. Фарадей построил, по существу, первую модель электродвигателя [17], а в 1826 г. немецкий физик Г. С. Ом экспериментальным путем с помощью созданного им прибора установил основной закон электрической цепи, связывающий сопротивление цепи, электродвижущую силу и силу тока. С помощью созданных в 80-х годах XVIII в. Огюстом Кулоном «крутильных весов» был открыт закон взаимодействия электрических зарядов. Таким образом, приборостроение играло решающую роль в установлении основных законов электричества и магнетизма.

Шарль Огюстен Кулон (1736-1806 гг.)

Существенное развитие получает в XVIII в. термометрия. Машиностроительная и химическая промышленность остро нуждались в точном измерении тепловых величин. Наибольших результатов в развитии термометрии достиг Гильом Амонтон. В его «Парижских мемуарах» 1702 и 1703 гг. было помещено описание воздушного термометра, представляющего собой резервуар, сообщающийся с трубкой, открытой сверху. В 1713 г. в журнале «Acta eruditorum» появилось сообщение Хр. Вольфа о полученных им от Г. Д. Фаренгейта двух спиртовых термометров.

На протяжении XVIII в. все большее внимание уделялось сравнению показаний отдельных термометров и их градуировке. Этот вопрос был тесно связан со службой погоды и с развитием регулярных метеорологических измерений. В мемуарах Парижской академии за 1730-1731 гг. Р. Реомюр изложил способ градуирования спиртовых термометров по точкам кипения и замерзания воды. Быстрое распространение термометров Реомюра не мешало, однако, заметить несовершенство спирта как термометрического тела, и около 1740 г. начали применять ртутный термометр с реомюровой шкалой.

В 1742 г. шведский астроном А. Цельсий стал изготовлять термометры, градуированные стоградусной шкалой [6, с. 313].

Таким образом, в первой половине XVIII в. были сконструированы практически употребляемые термометры, и тем самым был сделан важный шаг в количественном изучении тепловых явлений.

Развитие машиностроения, строительного дела и металлургии стимулировало развертывание работ в области техники измерения механических свойств материалов. В рассматриваемый период были созданы или подверглись значительным усовершенствованиям приборы, применявшиеся ранее в различных областях науки и техники (механические разрывные машины, приборы для испытания материалов на кручение, изгиб, сжатие).

Демонстрация опытов А. Вольты его ассистентом на заседании Французского института в 1801 г

В некоторые известные ранее приборы были внесены технические новшества, появившиеся в других областях техники, в результате чего эти приборы позволили поднять на более высокий уровень технику измерения. Так, в астрономии, например, присоединение к телескопу спектрографов и фотографических камер позволило, пo-существу заменив глаз наблюдателя, получить принципиально новые результаты - сведения о химических и физических свойствах и природе небесных тел, т. е. осуществить качественный анализ небесных объектов. А это, в свою очередь, имело огромное научное значение; установление единства химического состава Земли и небесных тел еще раз подтвердило неограниченность возможностей человеческого познания.

Развитие физики, химии, химической технологии поставило перед учеными ряд ранее не существовавших задач в области разработки способов анализа газов и жидкостей. Среди разработанных методов необходимо отметить эмиссионный и адсорбционный анализы (1800-1859 гг.).

Развитие точного приборостроения в рассматриваемый период сыграло важную роль в техническом и научном прогрессе, дало возможность использовать в науке и промышленности всю совокупность наблюдательных, измерительных и вычислительных средств, значение которых неизменно возрастало.