27 Январь 2011

Коллекция изобретений

Создателем первой успешной системы обмена информацией с помощью радиоволн (радиотелеграфии) традиционно считается итальянский инженер Гульельмо Маркони (1896). Однако у Маркони, как и у большинства авторов крупных изобретений, были предшественники. В России «изобретателем радио» считается А.С. Попов, создавший в 1895 г. практичный радиоприёмник. В США таковым считается Никола Тесла, запатентовавший в 1893 году радиопередатчик, а в 1895 г. приёмник; его приоритет перед Маркони был признан в судебном порядке в 1943 году. Во Франции изобретателем беспроволочной телеграфии долгое время считался создатель когерера (1890) Эдуард Бранли. Первым же изобретателем способов передачи и приёма электромагнитных волн
(которые длительное время назывались «Волнами Герца — Hertzian Waves»), является сам их первооткрыватель, немецкий учёный Генрих Герц (1888).

Принцип работы

Передача происходит следующим образом: на передающей стороне формируется сигнал с требуемыми характеристиками (частота и амлитуда сигнала). Далее передаваемый сигнал модулирует более высокочастотное колебание (несущее). Полученный модулированный сигнал излучается антенной в пространство. На приёмной стороне радиоволны наводят модулированный сигнал в антенне, после чего он демодулируется (детектируется) и фильтруется ФНЧ (избавляясь тем самым от высокочастотной составляющей - несущей). Таким образом, происходит извлечение полезного сигнала.

Распространение радиоволн

Радиоволны распространяются в пустоте и в атмосфере; земная твердь и вода для них непрозрачны. Однако, благодаря эффектам дифракции и отражения, возможна связь между точками земной поверхности, не имеющими прямой видимости (в частности, находящимися на большом расстоянии).

Фотография, как и другие великие изобретения XIX века, была открыта не сразу. С давних пор людям известно свойство темной комнаты воспроизводить световые рисунки внешнего мира. С помощью камер-обскур в России, например, в XVIII веке были документально зарисованы виды Петербурга, Кронштадта, Петергофа. Это была «фотография до фотографии»: рисовальщику уже не нужно было задумываться о соблюдении пропорций, его труд упростился в разы. Но люди продолжали думать над тем, как полностью механизировать процесс рисования, научиться не только фокусировать оптический рисунок на плоскости, но и надежно закреплять его химическим способом.

Такую возможность наука предоставила в первой трети девятнадцатого века. В 1818 году русский ученый X. Гротгус указал на связь фотохимических превращений в веществах с поглощением света. В скором времени ту же особенность установили американский химик Д. Дрейпер и английский ученый Д. Гершель. Так был открыт основной закон фотохимии.

Первый в мире снимок был получен Н. Ньепсом. На нём было запечатлено изображение крыши соседнего дома. Этот снимок ещё в 1826 году подтвердил возможность «механического рисования» с помощью солнца.

Датой рождения светописи считается 1839 год. И автором изобретения фотографии историки признают не только Н. Ньепса, но и Л. Дагерра и Ф. Тальбота, чьи первые снимки появились гораздо позже.

Происходит это из-за того, что гелиографический метод Н. Ньепса был несовершенен, непригоден для практического фотографирования из-за выдержки в 8 часов. К тому же Н. Ньепс не опубликовал при жизни свой способ. О нём знал лишь Л. Дагерр, с которым Ньепс вступил в договорные отношения по совершенствованию фотопроцесса. Именно Даггер и прославил своё имя как человек, изобрётший фотографию!

Фотоаппарат (фотографический аппарат, фотокамера) — устройство, осуществляющее формирование и последующую фиксацию статического изображения реального сюжета.

Принцип работы

Преобразование светового потока.

Световой поток от реального сюжета преобразуется съёмочным объективом в действительное изображение; калибруется по интенсивности (диафрагмой объектива) и времени воздействия (выдержкой); балансируется по цвету светофильтрами.

Фиксация светового потока.

В плёночном фотоаппарате запоминание изображения происходит на фотоматериале (фотоплёнке, фотопластинке и т. п.).
В цифровом фотоаппарате изображение воспринимается электронной матрицей, полученный с матрицы сигнал подвергается оцифровке, запоминание происходит в буферном ОЗУ и затем сохраняется на каком-либо носителе, обычно съемном. В простейших или специализированных камерах цифровой образ может сразу передаваться на компьютер.

Первые известные чертежи автомобиля (с пружинным приводом) принадлежат Леонардо да Винчи (стр. 812R Codex Atlanticus), однако ни действующего экземпляра, ни сведений о его существовании до наших дней не дошло. В 2004 году эксперты Музея истории науки из Флоренции смогли восстановить по чертежам этот автомобиль, доказав тем самым правильность идеи Леонардо. В эпоху Возрождения и позже в ряде европейских стран «самодвижущиеся» тележки и экипажи с пружинным двигателем строились в единичных количествах для участия в маскарадах и парадах.

В 1769 году французский изобретатель Кюньо испытал первый образец машины с паровым двигателем, известный как «малая телега Кюньо», а в 1770 году — «большую телегу Кюньо». Сам изобретатель назвал её «Огненная телега» — она предназначалась для буксировки артиллерийских орудий.

«Тележку Кюньо» считают предшественницей не только автомобиля, но и паровоза, поскольку она приводилась в движение силой пара. В XIX веке дилижансы на паровой тяге и рутьеры (паровые тягачи, то есть безрельсовые паровозы) для обычных дорог строились в Англии, Франции и применялись в ряде европейских стран, включая Россию, однако они были тяжёлыми, прожорливыми и неудобными, поэтому широкого распространения не получили.

Появление лёгкого, компактного и достаточно мощного двигателя внутреннего сгорания открыло широкие возможности для развития автомобиля. В 1885 году немецкий изобретатель Г. Даймлер, а в 1886 году его соотечественник К. Бенц изготовили и запатентовали первые самодвижущиеся экипажи с бензиновыми двигателями. В 1895 году К. Бенц изготовил первый автобус с ДВС. В 1896 году Г. Даймлер изготовил первое такси и грузовик. В последнем десятилетии XIX века в Германии, Франции и Англии зародилась автомобильная промышленность.

Немалый вклад в широкое распространение автомобильного транспорта внёс американский изобретатель и промышленник Г. Форд, широко применивший конвейерную систему сборки автомобилей.

В России автомобили появились в конце XIX века. (Первый иностранный автомобиль в России появился в 1891 г. Его привез из Франции на пароходе издатель и редактор газеты «Одесский листок» В. В. Навроцкий). Первый русский автомобиль был создан Яковлевым и Фрезе в 1896 году и показан на Всероссийской выставке в Нижнем Новгороде.

В первой четверти XX века широкое распространение получили электромобили и автомобили с паровой машиной. В 1900 году примерно половина автомобилей в США была на паровом ходу, в 1910-х в Нью-Йорке в такси работало до 70 тыс. электромобилей.

В том же 1900 году Фердинанд Порше сконструировал электромобиль с четырьмя ведущими колёсами, в которых располагались приводящие их в движение электродвигатели. Через два года голландская фирма Spyker выпустила гоночный автомобиль с полным приводом, оснащённый межосевым дифференциалом.
В 1906 году паровой автомобиль фирмы Stanley установил рекорд скорости — 203 км/ч. Модель 1907 года проезжала на одной заправке водой 50 миль. Необходимое для движения давление пара достигалось за 10-15 минут от запуска машины. Это были любимые машины полицейских и пожарных Новой Англии. Братья Стэнли производили около 1000 автомобилей в год. В 1909 году братья открыли первую в Колорадо гостиницу люкс-класса. От железнодорожной станции до гостиницы гостей возил паровой автобус, что стало фактическим началом автомобильного туризма. Фирма Stanley выпускала автомобили на паровом ходу до 1927 года. Несмотря на ряд достоинств (хорошая тяга, многотопливность) паровые автомобили сошли со сцены к 1930-м из-за своей неэкономичности и сложностей при эксплуатации.

В 1923 году фирма Бенца изготовила первый грузовой автомобиль с двигателем Дизеля.

В России в 1780-е годы над проектом автомобиля работал известный русский изобретатель Иван Кулибин.

В 1791 году им была изготовлена повозка-самокатка, в которой он применил маховое колесо, тормоз, коробку скоростей, подшипники качения и т. д.
Немалый вклад в широкое распространение автомобильного транспорта внёс американский изобретатель и промышленник Г.Форд, широко применивший конвейерную систему сборки автомобилей.

В далёком феврале 1946 года мир узнал о том, что в Соединенных Штатах запущен первый в мире электронный компьютер ENIAC, строительство которого обошлось почти в полмиллиона долларов.

Агрегат, оборудование для которого монтировалось в течение трех лет (с 1943 по 1945 годы), поражал воображение современников своими размерами. Electronic Numerical Integrator And Computer (ENIAC) – электронный цифровой интегратор и компьютер весил 8 тонн, потреблял 140 кВт энергии и охлаждался авиационными двигателями Chrysler. В этом году компьютер ENIAC отпразднует своё шестидесятичетырёхлетие.

Все компьютеры, изобретённые до него, были лишь его вариантами и прототипами и рассматривались как экспериментальные. Да и сам ENIAC, равный по мощности тысячам арифмометров, назывался сначала «электронным вычислителем».

«Бабушкой» именинника и «прабабушкой» нынешних современных компьютеров можно было бы с полной уверенностью назвать аналитическую машину Бэббиджа, до изобретения которой уже создавалась не одна счетная механическая машина: арифмометр Кальмара, устройство Блеза Паскаля, машина Лейбница.

Но их можно отнести, разве что к обычным «калькуляторам», в то время как аналитическое устройство Бэббиджа являлось уже, по сути, полноценным компьютером, а астроном (и даже основатель Королевского астрономического общества) Чарльз Бэббидж вошел в историю как изобретатель первого прообраза компьютера.

Движимый желанием и необходимостью автоматизировать свой труд, в котором было много рутинных математических вычислений, Бэббидж искал решения этой проблемы. И хотя к 1840 году он далеко продвинулся в теоретических рассуждениях и почти полностью закончил разработку аналитической машины, но построить ему её так и не удалось по причине множества технологических проблем.

Его идеи слишком опережали технические возможности того времени, и потому подобные, пусть даже полностью спроектированные устройства построить в ту эпоху было невозможно. Количество деталей машины было более 50000. Устройство должно было приводиться в действие энергией пара, что не требовало присутствия людей, и потому вычисления были бы полностью автоматизированы. Аналитическая машина могла выполнять конкретную программу (определенный набор инструкций) и записывала её на перфокарты (прямоугольнички из картона).

В машине имелись все основные компоненты, составляющие сегодня современный компьютер. И когда в 1991 г. к двухсотлетию со дня рождения изобретателя сотрудниками лондонского Музея науки были созданы по его чертежам «Разностная машина №2», а через несколько лет и принтер (весом 2,6 и 3,5 тонн соответственно; с использованием технологий середины XIX века), - оба устройства отлично заработали, что наглядно продемонстрировало: история компьютеров могла бы начаться раньше на целую сотню лет. Но, как уже было сказано, при жизни изобретателя его детищу так и не суждено было увидеть мир. И только после смерти Бэббиджа, когда его сын Генри собрал центральный блок аналитической машины, было очевидно, что машина работоспособна. Тем не менее, многие идеи Чарльза Бэббиджа внесли значительный вклад в вычислительную науку и нашли свое место в будущих конструкциях других инженеров.

И всё же первым, реально работающим на практических задачах компьютером, был именно ENIAC, разработанный специально для нужд армии и предназначавшийся тогда для обсчета баллистических таблиц артиллерии и авиации. На тот момент времени это была одна из самых важных и серьезных задач. Мощностей и производительности «вычислительного армейского ресурса», который состоял из людей, стало катастрофически не хватать, и потому в начале 1943 года учёные-кибернетики занялись разработкой нового вычислительного устройства – компьютера ENIAC (позже суперкомпьютер применялся, кроме баллистики, для анализа космических излучений, а также для проектирования водородной бомбы).

В 1928 году Александр Флеминг проводил рядовой эксперимент в ходе многолетнего исследования, посвященного изучению борьбы человеческого организма с бактериальными инфекциями. Вырастив колонии культуры Staphylococcus, он обнаружил, что некоторые из чашек для культивирования заражены обыкновенной плесенью Penicillium — веществом, из-за которого хлеб при долгом лежании становится зеленым. Вокруг каждого пятна плесени Флеминг заметил область, в которой бактерий не было. Из этого он сделал вывод, что плесень вырабатывает вещество, убивающее бактерии. В последствии он выделил молекулу, ныне известную как «пенициллин». Это и был первый современный антибиотик.

В течение 1930-х годов предпринимались безуспешные попытки улучшить качество пенициллина и других антибиотиков, научившись получать их в достаточно чистом виде. Первые антибиотики напоминали большинство современных противораковых препаратов — было неясно, убьет ли лекарство возбудителя болезни до того, как оно убьет пациента. И только в 1938 году двум ученым Оксфордского университета, Говарду Флори (Howard Florey, 1898-1968) и Эрнсту Чейну (Ernst Chain, 1906-79), удалось выделить чистую форму пенициллина. Первые инъекции нового средства были сделаны человеку 12 февраля 1941 года. Через несколько месяцев ученым удалось накопить такое количество пенициллина, которого могло с избытком хватить для спасения человеческой жизни. Счастливцем был пятнадцатилетний мальчик, больной заражением крови, которое не поддавалось лечению. Это был первый человек, которому пенициллин спас жизнь. В это время весь мир уже три года был охвачен пожаром войны. От заражения крови и гангрены гибли тысячи раненых. Требовалось огромное количество пенициллина. Флори выехал в Соединенные Штаты Америки, где ему удалось заинтересовать производством пенициллина правительство и крупные промышленные концерны. У нас в изучении свойств пенициллина и получении этого препарата многого достигла Зинаида Виссарионовна Ермольева. В 1943 году она поставила целью освоить приготовление пенициллина сначала лабораторным, а потом и фабричным путем. Видоизменяя предложенные иностранными авторами методы, Ермольева получила активный пенициллин. Не дождавшись фабричного его изготовления, она вылетела в Восточную Пруссию, чтобы вместе с главным хирургом Советской Армии Н. Н. Бурденко испытать действие пенициллина на раненых. Советский пенициллин дал при лечении раненых прекрасные результаты. Только в течение первых двух месяцев пользования им в госпиталях Москвы из 1 420 раненых и больных поправилось 1 227 человек. Пенициллин положил начало новой эре в медицине — лечению болезней антибиотиками. За огромные заслуги перед человечеством Флеминг, Чейн и Флори были в 1945 году удостоены Нобелевской премии. Благодаря пенициллину и другим антибиотикам было спасено бесчисленное количество жизней. Кроме того, пенициллин стал первым лекарством, на примере которого было замечено возникновение устойчивости микробов к антибиотикам.

Изобретение фонендоскопа

Способ диагностики через прослушивание грудной клетки был известен ещё Гиппократу. В 1816 г. доктор Лаэннек обратил внимание на ребят, игравших вокруг бревен строительного леса. Одни дети царапали и колотили палками по одному концу бревна, а другие слушали, приложив ухо к другому. Звук проводился через дерево. Лаэннек туго свернул тетрадь и, приложив один её конец к груди больной, а другой к собственному уху, с удивлением и радостью услышал биение сердца гораздо громче и отчетливее, чем раньше. На следующий день врач с успехом применил этот способ в своей клинике в госпитале Неккер.

В настоящее время стетоскоп (его усовершенствованная разновидность - фонендоскоп) считается классическим символом профессии врача.

Невозможно точно определить, кто изобрёл микроскоп. Считается, что голландский мастер очков Ханс Янсен и его сын Захарий Янсен изобрели первый микроскоп в 1590 году, но это было заявление самого Захария Янсена в середине ХVII века. Дата, конечно, неточна, так как оказалось, что Захарий родился около 1590 г. Другим претендентом на звание изобретателя микроскопа был Галилео Галилей. Он разработал «occhiolino» («оккиолино»), или составной микроскоп с выпуклой и вогнутой линзами в 1609 г. Галилей представил свой микроскоп публике в Академии деи Линчей, основанной Федерико Чези в 1603 г. Десятью годами позже Галилея Корнелиус Дреббель изобретает новый тип микроскопа, с двумя выпуклыми линзами. Кристиан Гюйгенс, другой голландец, изобрел простую двулинзовую систему окуляров в конце 1600-х, которая ахроматически регулировалась. Окуляры Гюйгенса производятся и по сей день, но им не хватает широты поля обзора, а расположение окуляров неудобно для глаз по сравнению с современными широкообзорными окулярами. В 1665 году англичанин Роберт Гук сконструировал собственный микроскоп и опробовал его на пробке. В результате этого исследования появилось название «клетки». Антон Ван Левенгук (1632—1723) считается первым, кто сумел привлечь к микроскопу внимание биологов, несмотря на то, что простые увеличительные линзы уже производились с 1500-х годов, а увеличительные свойства наполненных водой стеклянных сосудов упоминались ещё древними римлянами (Сенека). Изготовленные вручную, микроскопы Ван Левенгука представляли собой очень небольшие изделия с одной очень сильной линзой. Они были неудобны в использовании, однако позволяли очень детально рассматривать изображения лишь из-за того, что не перенимали недостатков составного микроскопа (несколько линз такого микроскопа удваивали дефекты изображения). Понадобилось около 150 лет развития оптики, чтобы составной микроскоп смог давать такое же качество изображения, как простые микроскопы Левенгука. Так что, хотя Антон Ван Левенгук был великим мастером микроскопа, он не был его изобретателем вопреки широко распространённому мнению.

В группе немецкого учёного Штефана Хелля из Института Биофизической Химии научного сообщества Макса Планка (Гёттинген) в сотрудничестве с аргентинским учёным Мариано Босси в 2006 году был разработан оптический микроскоп под названием Наноскоп, позволяющий преодолевать барьер Аббе и наблюдать объекты размером около 10 нм (а на 2010 год и ещё меньше), оставаясь в диапазоне видимого излучения, получая при этом высококачественные трёхмерные изображения объектов, ранее недоступных для обычной световой и конфокальной микроскопии.

Имя изобретателя подзорной трубы доподлинно неизвестно, оно кануло в веках, а сам прибор оброс множеством легенд и самых невероятных историй. Самый ранний документ датируется 1268 годом и принадлежит перу англичанина Роджера Бэкона - монаха францисканского ордена, в котором он теоретически описывает её действие. В начале XVI века голландский оптик Липперсгей, а вслед за ним и Галилей применили на практике изыскания предшественников и создали настоящую подзорную трубу для наблюдения за отдаленными объектами на суше и на море. Несколько лет спустя Галилей усовершенствовал свой прибор, сконструировав первый телескоп.