В ПРИРОДЕ МЕРА И ВЕС СУТЬ ГЛАВНЫЕ ОРУДИЯ ПОЗНАНИЯ
Д. И. МЕНДЕЛЕЕВ
Многие замечательные идеи и принципы, на которых базируются современная автоматика и телемеханика, конструкции огромного числа измерительных приборов, получивших широкое применение в различных областях,- плод творческого гения нашего народа.
В стремлении "облегчить труд по нас грядущим", раскрыть глубочайшие закономерности в наблюдаемых явлениях природы, дерзали и созидали многие поколения русских приборостроителей, обогащая своим творчеством, изобретением новых средств и методов измерения отечественную и мировую науку и технику на всех этапах их развития. Это особенно ярко запечатлено в бессмертных трудах Михаила Васильевича Ломоносова, который на все века оставил пример того, как наука может и должна служить народу.
Все многогранное творчество Ломоносова является образцом величайшей гармонии опытного и теоретического исследования. В тесной связи науки, и практики ученый видел безграничные возможности для их взаимного обогащения и прогресса. И поныне обаятельно свежи замечательные строки ученого, утверждающие принцип "Из наблюдений установлять теорию, чрез теорию исправлять наблюдения - есть лучший всех способ к изысканию правды".
Правильно решив проблему взаимоотношения теории и практики, теории и опыта, М. В. Ломоносов, как повествует дошедшее до нас его рукописное и печатное наследие. много сил и энергии отдал развитию техники эксперимента, усовершенствованию методов измерений. На протяжении четверти века своей деятельности он изобрел несколько десятков новых, неизвестных науке XVIII столетия астрономических, навигационных, гравиметрических, метеорологических, оптических, физико-химических и других приборов, которые, по образному выражению самого ученого, были ему нужны, чтобы испытывать все, что только можно измерять, взвешивать и определять вычислением.
Значимость творчества М. В. Ломоносова на поприще приборостроения определяется не только большим количеством изобретенных им принципиально новых средств измерения. Прозорливый ученый, неутомимый труженик и искатель новых, неизведанных путей в науке и технике, он сумел в течение двадцати пяти лет осуществить огромную программу работ по автоматизации различного рода измерений, опередив тем самым более чем на столетие своих современников.
Первым прибором-автоматом, изобретенным Ломоносовым, был саморегистрирующий анемометр (1748 год). И это не случайно.
Проблема предсказания погоды волновала ученого с самого начала его научной деятельности. В решении этой задачи он видел дело, "достойное златых гор". Между тем метеорология в те времена находилась лишь в зародыше, и "знание воздушного круга" было "великою тьмою покрыто". Причиной этого было "инструментов, к сему делу изобретенных, несовершенство, обстоятельств разность, наблюдателей, неравные рачения, наблюдений превеликое в беспорядочное множество...".
Чтобы раскрыть тайны погоды и тем самым решить одну из жизненно важных для человечества проблем, по глубокому убеждению Ломоносова, необходимо было, прежде всего, коренным образом улучшить существовавшие инструменты и создать ряд новых, более совершенных метеорологических приборов. Особенно заманчивой была идея осуществить автоматизацию измерений всех важнейших элементов метеорологических наблюдений. И, несмотря на очевидные трудности в реализации столь сложного замысла, Ломоносов все же попытался его осуществить.
Начал он с изобретения саморегистрирующего анемометра, в котором давно назрела необходимость.
В верхней части анемометра находилось приемное устройство в виде большого крыльчатого колеса, состоявшею из 16 буковых крыльев, неподвижно скрепленных между собой, В каждый данный момент половина крыльев была защищена от ветра деревянным ящиком, вместе с которым колесо ориентировалось по ветру при помощи большого флюгера. У основания прибора находилось регистрирующее устройство. Оно давало возможность автоматически не только фиксировать направление ветра, измерять его скорость и определять сумму скоростей за известный промежуток времени, но и находить сумму скоростей ветров каждого румба отдельно
Устройство ломоносовского анемометра было задумано необыкновенно остроумно. Оно выгодно отличалось от всех ранее созданных приборов аналогичного назначения. Более того, совершенная конструкция изобретенного анемометра долгое время оставалась непревзойденной и повторялась в конце XVIII и начале XIX столетий в ряде стран в нескольких модификациях, весьма близких по кинематике к анемометру Ломоносова.
Начав с создания саморегистрирующего анемометра, Ломоносов в течение 17'48-1751 годов изобрел и изготовил, по-видимому, еще несколько новых метеорологических приборов-автоматов. Ни один из них, к сожалению, до нас не дошел, не сохранилось и их описания. Однако достоверно известно, что при помощи этих автоматически действовавших приборов ученый организовал в 1751 году в Петербурге первую в России и первую в мире "метеорологическую с самопишущими приборами обсерваторию". Тремя годами позже Ломоносов построил в Усть-Рудищах вторую метеорологическую обсерваторию, оснастив ее, как и в первом случае, несколькими им же самим изобретенными автоматическими устройствами. В письме к Леонарду Эйлеру от 12 февраля 1754 года Ломоносов писал "...сооружаю плотину, мельницу и лесопилку, над которой возвышается самопишущая метеорологическая обсерватория, описание которой будущим летом с божией помощью я опубликую".
Ломоносов прекрасно понимал, что изменения погоды в пространстве так велики, местные условия до такой степени влияют на ее характер, что даже несколько десятков наилучшим образом оборудованных обсерваторий будут бессильны перед решением столь сложной задачи, как предсказывание погоды. В 1759 году на страницах "Рассуждение о большей точности морского пути" он выдвинул смелый план "...в различных частях земного шара в разных областях" построить "самопишущие метеорологические обсерватории, расположение и устройство которых, со многими новыми инструментами, уже давно мною обдуманное..." Великий ученый на двенадцать лет опередил предложение немецкого метеоролога Ламберта об организации международной службы погоды и явился первым зачинателем автоматизации измерений в области метеорологии.
М. В. Ломоносову принадлежит еще одна важная заслуга в истории метеорологии. В 1754 году он разработал конструкцию и изготовил небольшой летающий аппарат, названный им "аэродинамической машиной". С помощью крыльев, движимых горизонтально в различных направлениях силой пружины, аппарат должен был поднимать в верхние слои атмосферы небольшие, специально приспособленные самопишущие метеорологические приборы. Так был построен первый миниатюрный геликоптер и сделан шаг к созданию аэрологических методов исследования. Пятьюдесятью годами позже академик Я. Д. Захаров поднялся в воздух на свободном аэростате, чтобы произвести аэрологические наблюдения и тем самым осуществить замечательную идею Ломоносова.
Нельзя не остановиться на изобретенном Ломоносовым чрезвычайно простом по устройству и оригинальном по замыслу приборе, предназначенном "...определить самое большее действие электрической громовой силы, не употребляя зрения и трубок, и на местах разных и весьма отдаленных".
В сочинении "Слово о явлениях воздушных" ученый следующим образом описал принцип работы этого прибора "Вшед электрическая сила в металлическую трубку, отбивающею силою погонит кружок из полости, и чем будет сильнее, тем больше прямой проволочки выйдет из полости. По окончании оного действия проволочке прямой нельзя будет назад всунуться, затем что пружинки и зубцы не допустят. После в способное время посему увидеть можно будет, коль велика была самая большая громовая сила".
Говоря языком нашего времени, это был первый максимальный электростатический вольтметр. В нем Ломоносов впервые в практике приборостроения использовал пружину для создания противодействующего момента. Интересно, что это явилось прообразом современного принципа конструирования ряда электроизмерительных приборов.
Большое место в творчестве Ломоносова занимают работы, посвященные изысканию научных методов мореплавания и изобретению навигационных приборов. И это вполне закономерно. Природный помор отлично знал трудности современного ему кораблевождения, обусловленные недостаточной изученностью морей и океанов, изменчивостью природных условий, примитивностью и неточностью применявшихся инструментов. В заботе о процветании российского мореходства Ломоносов считал своей первостепенной обязанностью "новыми полезными изобретениями безопасность мореплавания умножить".
По далеко не полным данным, Ломоносов" усовершенствовал и изобрел в разное время более двадцати навигационных приборов, в том числе секстант с искусственным горизонтом, "жезл морской - инструмент, служащий к точному определению времени на море", самопишущий компас, дромометр, клизеометр, циматометр, салометр и др. Устройство и принцип действия приборов описаны ученым в известной его работе "Рассуждение о большей точности морского пути".
Внимательное изучение этого труда и всей гаммы созданных Ломоносовым навигационных приборов показывает, что и здесь он стремился достигнуть максимальной автоматизации измерений всех важнейших параметров кораблевождения. В осуществлении смелой, и вместе с тем сложной задачи, если учесть низкий уровень техники середины XVIII века, ученому не были страшны ни трудности, ни возможности ошибок, и горьких разочарований. "Делом сим,- писал Ломоносов,- последовал я рудоискателям, которые иногда безо всякой вероятности сладкою надеждою питаются и не всегда же тщетно. Таким образом, отложив всякое сумнительство, все, что для сей материи размышлял, изобрел, произвел, предлагаю".
Исключительно большой интерес представляет группа приборов для счисления курса корабля в пасмурную погоду, когда астрономическая ориентировка невозможна. Например, "чтобы псе погрешности, которые от оплошности правящего бывают, знать корабельщику", Ломоносов предложил "особливый компас самопишущий". Изобретенный компас позволял при помощи карандаша, прикрепленного к картушке, и часового механизма, передвигавшего бумажную ленту, автоматически вычерчивать на ней все отклонения корабля от заданного румба. Чтобы не производить сложных вычислений при определении отклонений судна от курса, Ломоносов предложил применять следующий придуманный им остроумный способ разрезать по вычерченной кривой бумажную ленту на две полосы и взвесить их поочередно. "Вес покажет, на какую сторону больше склонение корабля было".
Ломоносов не успел построить по своему проекту действующей модели самопишущего компаса, и после его смерти это замечательное творение было забыто. Спустя сто лет в силу настойчивых требований развивающегося мореплавания изобретатели и ученые ряда стран вынуждены были заняться созданием самопишущих компасов. И при этом весьма часто повторяли в различных вариантах (независимо от Ломоносова) его конструктивную идею.
Так, в 1862 году норвежец Ярмберг представил на Лондонскую выставку инструментов кораблевождения "компас с механизмом для замечания курсов и времени плавания по каждому курсу", в котором, как у ломоносовского компаса, был часовой механизм и такой же, как в изобретенном им анемометре, румбометр, с той только разницей, что сектора последнего заполнялись не ртутью, а костяными шариками.
В 1868 году капитан Альбини представил на Морскую выставку в Гавре самопишущий компас, конструкция которого еще в большей степени была сходна с ломоносовским саморегистрирующим компасом. По поводу этого прибора в журнале "Морской сборник" (1868 год) было написано "Мысль изобретателя чрезвычайно хороша, действительно, что может быть практичней компаса, автоматически записывающего без вмешательства человека курсы судна, но выполнение этой миссии на приборе Альбини мне кажется чрезвычайно неудачным удары движущегося стержня в компасную картушку, зажимание картушки на известный промежуток времени - все это слишком очевидные и важные недостатки для того, чтобы прибор мог служить с пользою. Если бы можно было избегнуть постоянного сотрясения картушки, постоянного задерживания ее в тисках, то цель была бы достигнута; но если не этот прибор, то благодаря мысли изобретателя, вероятно, скоро явится другой, удовлетворяющий той цели, которую преследует г. Альбини".
Автор приведенного отзыва, как и сам Альбини, не знал, что еще в 1759 году Ломоносов изобрел "особливый самопишущий компас", который был лишен перечисленных недостатков. И именно благодаря тому, что ломоносовский самопишущий курсограф был в своей основе задуман и запроектирован принципиально правильно, он получил широкое применение в современном кораблевождении. Разумеется, техника записи ныне совсем иная, однако предложенная Ломоносовым идея устройства прибора живет во всех курсографах нашего времени.
Для определения точного положения корабля на море Ломоносов считал необходимым учитывать действие бокового ветра на корпус судна и с этой целью изобрел специальный прибор - клизеометр, который позднее i усовершенствовал, предложив "часы пружинные простые к сему присовокупить, как у компаса". Так был создан первый дрейфограф, позволявший четко фиксировать на бумажной ленте отклонения корабля от курса под влиянием ветра.
При помощи самопишущего компаса и дрейфографа можно было нанести на карту направление, в котором плыл корабль. Но для счисления его пути необходимо было еще знать скорость. В ломоносовское время техника ее определения была предельно примитивна пользовались пеньковыми тросами - лаглинями - с дощечкой на конце и с узлами, наложенными на равных расстояниях, на всем протяжении линя. Чтобы избавиться от этого старинного и мешкотного способа определения хода корабля, ученый придумал оригинальное устройство, названное им дромометром.
Это изобретение Ломоносова опередило на столетие свое время. Оп создал первый донный механический лаг вертушечного типа, позволявший с большим удобством отсчитывать по нему переплытое кораблем расстояние. Такие лаги получили широкое распространение в XIX веке, да и современный лаг Черникеева основан на том же принципе.
В стремлении повысить точность отсчетов Ломоносов решил учитывать поправку на волнение моря, которое заставляет корпус корабля перемещаться не по прямой, а по волнистой линии. В созданном ученым для этой цели приборе - циматометре - осуществлена интересная конструктивная идея один и тот же маятник позволяет зафиксировать на циферблате сумму всех углов дифферента на килевой качке, а на счетчике число всех колебаний корабля, приведших к этой сумме. Разделив первое число на второе, штурман мог вычислить средний угловой размах килевой качки на том или ином переходе и внести соответствующую поправку в переплытое кораблем расстояние.
Однако практика показала, что поправки на килевую качку ничтожно малы по сравнению с погрешностями, которые обусловлены рядом других причин. Надо полагать, что именно поэтому циматометр не получил в дальнейшем применения. Но идея, заложенная в конструкцию этого прибора, не потеряла своего значения и по сей день. Достаточно сказать, что применяемые сейчас примитивные продольные кренометры не имеют счетчиков.
Естественно, что, работая над решением проблемы автоматизации измерений в различных областях науки и техники, Ломоносов не мог не заняться усовершенствованием и изобретением новых конструкций часов, которые, по выражению К. Маркса, были "первым автоматом, созданным для практических целей".
И здесь творчество Ломоносова оставило глубокий след. В 1759 году он изобрел, независимо от англичан, первый в России четырех пружинный морской хронометр, провел, как повествуют "Химические и оптические записки", большую экспериментальную работу по уменьшению трения в часах, внедрил в часовое дело ряд новых материалов, усовершенствовал конструктивные формы и методы изготовления отдельных деталей.
Здесь было весьма кратко рассказано лишь о части работ Ломоносова, посвященных автоматизации измерений.
В рамках небольшой статьи нет, конечно, возможности осветить все богатство мыслей, идей и замыслов ученого-новатора в этой, одной из наиболее плодотворных областей его деятельности.
В заключение хотелось бы напомнить известное высказывание В. И. Ленина о том, что "исторические заслуги судятся не по тому, чего и е дали исторические деятели сравнительно с современными требованиями, а по тому, что они дали нового сравнительно с своими предшественниками".
И мы вправе сделать заключение, что Ломоносов положил начало научному конструированию измерительных приборов и автоматических устройств в России и может быть назван одним из зачинателей автоматизации измерительной техники.
