Огонь, пар, ток и автоматика

Планета есть колыбель разума, но нельзя вечно жить в колыбели.

— Константин Циолковский

Внешние органы#

Человек слаб. У него нет ни клыков, ни когтей, ни шерсти, ни крыльев, он бегает медленнее лошади и видит хуже орла. Но почти с самого начала своей истории он восполнял эти недостатки вещами. Каменное рубило стало внешним зубом, одежда — внешней шерстью, копьё — удлинённой рукой, а костёр — внешним желудком, который начинает переваривать пищу до того, как её съели. Историю техники можно читать как историю того, как человек отращивал себе всё новые внешние органы, и каждый следующий орган был сильнее, быстрее и дальнобойнее прежнего.

Айзек Азимов в «Путеводителе по науке» прослеживает эту линию от первых рычагов до атомных реакторов. Рычаг, клин, колесо, ворот, блок и винт, простые механизмы, известные ещё грекам, позволяют выиграть в силе, проиграв в расстоянии. Архимед, по легенде, обещал: «Дайте мне точку опоры, и я переверну Землю». Яков Перельман в «Занимательной механике» находит те же механизмы в повседневных вещах: в ножницах, дверной ручке, велосипеде, лифте, и попутно разоблачает изобретателей вечного двигателя. Его главный довод прост: никакой механизм не даёт энергии больше, чем получил, он только перераспределяет её в удобной форме. Закон сохранения энергии оказывается первым правилом инженера, нарушить которое не удастся ни хитростью, ни упорством.

Пять веков назад немецкий врач и горный инженер Георг Агрикола выпустил трактат «О горном деле и металлургии в двенадцати книгах», и его гравюры до сих пор поражают: водяные колёса размером с дом, цепные насосы с черпаками, мехи, которые раздувают горны силой падающей воды. Задолго до паровой машины европейские рудники превратились в механизмы величиной с гору, где люди, лошади и реки работали в одной упряжке. Главной бедой рудников была вода, заливавшая штольни, и именно эта беда через двести лет дала толчок промышленной революции.

Жюль Верн в «Таинственном острове» поставил над техникой мысленный эксперимент. Пятеро беглецов оказываются на необитаемом острове почти без вещей, и инженер Сайрес Смит шаг за шагом заново создаёт цивилизацию: добывает огонь линзами от часов, обжигает кирпич, выплавляет железо, получает кислоты и взрывчатку. Роман читается как учебник по истории техники, где каждое новое умение опирается на предыдущее, и без рубила не будет кузницы, а без кузницы не будет телеграфа.

Огонь, запертый в цилиндре#

Тысячелетиями человек использовал силу собственных мышц, мышц животных, ветра и воды. В XVIII веке в Англии, где леса давно вырубили и топили углём, угольные шахты уходили всё глубже, и их затапливало грунтовыми водами. Томас Ньюкомен построил паровую машину для откачки воды, огромную, медленную и прожорливую. Джеймс Уатт, мастер научных инструментов при университете Глазго, чинивший учебную модель такой машины, понял, почему она так расточительна: цилиндр каждый раз охлаждали, чтобы сконденсировать пар, и потом снова нагревали. Уатт вынес конденсатор в отдельный сосуд, и машина стала экономичнее в несколько раз.

Паровая машина превратила тепло в движение, и с неё началась промышленная революция. Фабрики перестали зависеть от рек, паровозы и пароходы сжали расстояния. Молодой французский инженер Сади Карно в 1824 году выпустил тонкую книжку «Размышления о движущей силе огня и о машинах, способных развивать эту силу», где спросил, какой наибольший КПД может иметь тепловая машина. Его ответ стал основой второго начала термодинамики, того самого, из-за которого горячий чай остывает, а не нагревается сам собой. Тепловая машина работает только тогда, когда тепло перетекает от горячего тела к холодному. У Карно холодное тело называется «холодильником», и это вовсе не бытовой прибор: так он называл всё, куда машина сбрасывает отработанное тепло, то есть конденсатор с холодной водой или просто окружающий воздух. Чем больше разница температур между котлом и холодильником, тем выше предельный КПД, и часть тепла неизбежно уходит в холодильник, сколько ни совершенствуй машину.

Здесь видна важная закономерность: техника часто опережает науку и затем подталкивает её. Инженеры строили паровые машины задолго до того, как физики поняли, что такое тепло. Сам Карно опирался на теорию теплорода, считавшую тепло невидимой жидкостью, и сравнивал тепловую машину с водяным колесом: как вода, падая с высоты, вращает колесо, так теплород, перетекая от горячего тела к холодному, совершает работу. Теория теплорода оказалась ошибочной, а вывод о перепаде температур её пережил.

В 1876 году Николаус Отто построил четырёхтактный двигатель внутреннего сгорания, и огонь переселился прямо в цилиндр. Книга «Устройство автомобиля просто и понятно для всех» объясняет его работу на пальцах: впуск, сжатие, рабочий ход, выпуск. Смесь топлива с воздухом сжимается, воспламеняется, газы толкают поршень, коленчатый вал превращает возвратное движение во вращение. Лёгкий и мощный двигатель сделал возможными автомобиль и самолёт.

Сделать автомобиль массовым удалось Генри Форду. В книге «Моя жизнь. Мои достижения» он рассказывает, как подсмотрел идею у чикагских мясников, которые разделывали туши, подвешенные на движущемся конвейере. В 1913 году на заводе в Хайленд-Парке Форд пустил конвейер наоборот, на сборку, и время сборки шасси модели «Т» упало примерно с двенадцати с половиной часов до полутора. Машина стала по карману рабочим, которые её собирали, тем более что Форд в 1914 году поднял им зарплату до пяти долларов в день. Олдос Хаксли так впечатлился этой переменой, что в «О дивный новый мир» сделал Форда божеством, а летоисчисление начал от выпуска модели «Т». Артур Хейли в романе «Колёса» спустя полвека показал Детройт изнутри: конвейер, где человек подстраивается под ритм машины, и кабинеты, где решают, какой будет следующая модель.

Электричество#

В 1831 году Майкл Фарадей открыл, что движущийся магнит рождает в проводнике ток. Через пятьдесят лет это открытие стало промышленностью, и эту историю рассказывают выпуски серии «Наука. Величайшие теории», посвящённые Фарадею, Эдисону и Тесле. Томас Эдисон, самый плодовитый изобретатель в истории, создал целую систему, в которой лампа накаливания была лишь одной частью: электростанцию, провода, счётчики, выключатели. Его первая станция на Перл-стрит в Нью-Йорке в 1882 году вырабатывала постоянный ток.

Никола Тесла, сербский инженер, некоторое время работавший у Эдисона, предложил переменный ток, который можно трансформировать до высокого напряжения, передавать на большие расстояния с малыми потерями и снова понижать у потребителя. Разгорелась «война токов». Сторонники Эдисона публично убивали животных переменным током, чтобы доказать его опасность, но проиграли: сегодня почти вся энергетика мира работает на переменном токе по системе Теслы. Асинхронный двигатель, который он изобрёл, до сих пор крутит большинство промышленных станков, насосов и вентиляторов.

Как это работает, лучше всего объясняет Рудольф Сворень в книгах «Электричество шаг за шагом» и «Электроника шаг за шагом». Сворень начинает с азов (что такое заряд, ток, напряжение, сопротивление) и шаг за шагом доводит читателя до схем, которые можно собрать на столе. Поколения советских радиолюбителей начинали именно с него, и его книги до сих пор переиздают.

Электричество изменило всё: ночь стала светлой, заводы освободились от привязки к паровой машине, в дома пришли холодильники и стиральные машины. Экономисты, изучающие быт, считают, что стиральная машина изменила жизнь женщин сильнее многих политических реформ, освободив для работы и учёбы десятки часов в неделю. Жюль Верн ещё в 1870 году угадал эту всеобщность: на «Наутилусе» капитана Немо в «Двадцати тысячах лье под водой» электричество даёт всё сразу, свет, тепло и движение. А Артур Хейли в романе «Перегрузка» показал оборотную сторону: энергосистему Калифорнии в жаркое лето, когда кондиционеры миллионов людей подводят сеть к краю, и выясняется, насколько хрупко то, что мы привыкли считать само собой разумеющимся.

Полёт#

Мечта о полёте старше истории: Икар из греческого мифа, птичьи крылья в тетрадях Леонардо, о которых можно прочитать в книге «Леонардо да Винчи за 30 секунд». Николай Жуковский, «отец русской авиации», в 1906 году вывел формулу подъёмной силы крыла. Воздух обтекает крыло сверху и снизу по-разному, вокруг крыла возникает циркуляция, и вместе с набегающим потоком она создаёт силу, направленную вверх. Ту же теорию Жуковский потом применил к гребным винтам в работе «Вихревая теория гребного винта». А тремя годами раньше, 17 декабря 1903 года, братья Райт совершили первый управляемый полёт на аппарате тяжелее воздуха: он длился двенадцать секунд.

Учебники для пилотов объясняют полёт через четыре силы: подъёмную силу, вес, тягу и сопротивление. Самолёт летит ровно, когда подъёмная сила уравновешивает вес, а тяга — сопротивление. Но главная тема этих учебников вовсе не физика, а дисциплина. В 1935 году на показательном полёте разбился прототип бомбардировщика «Боинг» модели 299: экипаж из лучших пилотов забыл снять стопор рулей. Машину объявили слишком сложной для человека, а лётчики-испытатели в ответ придумали контрольную карту, короткий список действий, который зачитывают перед взлётом. Авиация стала самым безопасным видом транспорта благодаря таким картам, стандартной фразеологии радиообмена и привычке разбирать каждую ошибку, не ища виноватых. Этот опыт потом переняли хирурги и атомщики.

Артур Хейли в романе «Аэропорт» собрал всю эту сложность в одну снежную ночь: диспетчеры, пилоты, механики и начальник аэропорта удерживают в равновесии систему, где мелкая неисправность может стоить сотен жизней. Роман хорош тем, что на первом плане в нём люди, а машины на втором. За надёжностью любого механизма стоят те, кто его обслуживает.

Ракеты#

Ракета движется, отбрасывая назад часть собственной массы, и поэтому обычная механика Ньютона, где масса тела постоянна, для неё не годится. В 1897 году петербургский профессор Иван Мещерский защитил диссертацию о движении точки переменной массы, и его «Работы по механике тел переменной массы» заложили математику реактивного движения. Почти одновременно, но независимо, той же задачей занимался Константин Циолковский, глухой учитель физики из Калуги, признававшийся, что мысль о космических путешествиях заронил в него Жюль Верн.

В 1903 году Циолковский опубликовал статью «Исследование мировых пространств реактивными приборами». В ней он вывел формулу, которая носит его имя: скорость, которую может набрать ракета, зависит от скорости истечения газов и от отношения начальной массы ракеты к конечной. Из формулы следовало, что для полёта в космос нужна многоступенчатая ракета на жидком топливе, сбрасывающая пустые баки. Циолковский придумал и её, а заодно описал космические станции, скафандры и оранжереи на орбите.

Яков Перельман в «Межпланетных путешествиях» популяризировал идеи Циолковского, и среди читателей этой книги были молодые инженеры, которые через несколько десятилетий построили настоящие ракеты. Сергей Королёв в 1957 году вывел на орбиту первый искусственный спутник, а в 1961 году Юрий Гагарин облетел Землю. Через восемь лет американцы высадились на Луне. Между статьёй учителя из Калуги и человеком на Луне прошло шестьдесят шесть лет, меньше одной человеческой жизни.

Машины, которые управляют собой#

На паровых машинах Уатта стояла деталь, которая сегодня кажется скромной, — центробежный регулятор. Два тяжёлых шара вращаются на рычагах, связанных с валом машины. Если машина разгоняется, шары расходятся под действием центробежной силы и прикрывают клапан подачи пара. Если замедляется, шары опускаются и открывают клапан. Машина сама поддерживает постоянную скорость, без участия человека.

Это первый в промышленности пример обратной связи, принципа, на котором стоит вся автоматика. Система измеряет результат своей работы, сравнивает с заданным и корректирует действие. Но регуляторы иногда вели себя странно: машина начинала раскачиваться, то разгоняясь, то тормозя. Джеймс Клерк Максвелл в 1868 году написал статью «О регуляторах», где впервые разобрал математически, когда такая система работает устойчиво. Независимо от него русский инженер Иван Вышнеградский в 1876 году вывел простые условия устойчивости, которыми пользовались конструкторы. Обе работы вместе с трудами словацкого инженера Аурела Стодолы собраны в книге «Теория автоматического регулирования», а строгую математическую основу дал Александр Ляпунов в «Общей задаче об устойчивости движения». Суть их выводов знакома каждому водителю: слишком резкая реакция раскачивает машину, как руль, который рвут то вправо, то влево, а слишком вялая не успевает за изменениями.

Теория автоматического управления, выросшая из этих вопросов, описывает любую систему с обратной связью. Термостат в квартире, автопилот самолёта, круиз-контроль автомобиля, регулятор уровня в резервуаре на заводе — всё это вариации одной схемы. Самый распространённый регулятор в промышленности, ПИД-регулятор, реагирует на текущую ошибку, на накопленную ошибку и на скорость её изменения, то есть на настоящее, прошлое и будущее. Из тысяч таких регуляторов, связанных промышленными контроллерами и диспетчерскими системами, строится управление целыми заводами и электростанциями.

Норберт Винер в 1948 году назвал науку об управлении и связи в животном и машине кибернетикой, от греческого «кибернетес», кормчий. Он заметил, что обратная связь работает и в живых организмах: температура тела, уровень сахара в крови, равновесие при ходьбе поддерживаются теми же механизмами. Мозг, по современным представлениям, тоже постоянно сравнивает свой прогноз с тем, что сообщают органы чувств, и поправляется по ошибке. Тело, мозг, завод и рынок — все они сравнивают ожидаемое с действительным и поправляются.

Станислав Лем в «Сумме технологии» довёл эту мысль до философского вывода. Он сравнил эволюцию техники с эволюцией жизни и увидел в обеих один процесс: системы, которые поддерживают своё равновесие, учатся, отбираются и усложняются. Только эволюция жизни слепа и медленна, а техника ускоряется на глазах одного поколения. Лем написал это в 1964 году, задолго до персональных компьютеров, и многие его прогнозы читаются сегодня как репортаж.

Сопротивление нового#

История техники полна примеров того, как новое встречали в штыки. Луддиты в Англии начала XIX века разбивали ткацкие станки, уверенные, что машины отнимут у них работу. Машины действительно отнимали работу и одновременно создавали профессии, которых раньше не было. Этот спор повторяется с каждой технологией, от паровоза до искусственного интеллекта, и обе стороны в нём всякий раз отчасти правы.

Роберт Хайнлайн в «Двери в лето» сделал героем инженера, который изобретает домашних роботов: уборщицу, мойщика окон, универсального механического помощника. Роман написан в 1957 году, и забавно сравнивать, что Хайнлайн угадал, а что нет. Роботы-пылесосы появились, а вот чертёжную машину, которая превращает набросок в готовый чертёж, он описал раньше, чем появились системы автоматического проектирования. Марк Твен ещё в 1889 году в «Янки из Коннектикута при дворе короля Артура» отправил мастера оружейного завода в VI век, и тот принялся внедрять телефон, газеты и фабрики среди рыцарей. Роман смешон и одновременно серьёзен: Твен спрашивает, делает ли техника людей лучше или только сильнее.

Техника меняет то, что мы делаем, а заодно и то, кем мы становимся. Сократ у Платона опасался, что письменность ослабит память. Часы подчинили жизнь расписанию. Автомобиль перестроил города. Лампа отменила ночь, и нейробиолог Мэтью Уокер в книге «Зачем мы спим» называет электрический свет одной из причин хронического недосыпа: вечерний свет сдвигает выработку мелатонина, и мозг узнаёт о наступлении ночи на несколько часов позже. Каждый новый орган, который отращивает себе человечество, приходит со своей ценой, и замечают её обычно, когда орган уже прирос.