Участие физики в промышленности

Одно из первых мест в современной цивилизации занимает наука. Бесспорным является ведущая роль естествознания в развитии материальнотехнического базиса окружающего нас мира. Физика стоит у истоков революционных преобразований во всех областях техники. На основе её достижений развивается энергетика, преобразуется связь, перестраиваются сельскохозяйственное производство и промышленность.

Развитие физики обусловлено потребностями техники. С одной стороны, необходимость технического прогресса определяет тематику физических исследований, с другой стороны, от уровня развития техники зависят возможности применяемых в научных изысканиях устройств.

Физика имеет огромное практическое значение. На основе фундаментальных физических теорий развиваются современная техника и вместе с ней производительные силы общества. В эпоху интенсивного научно-технического прогресса осуществляется непосредственная связь науки с производством. Вся современная техника основана на широком применении результатов исследований в физике, которую в связи с этим считают основой техники, подчеркивая, что физика сегодня - это техника завтра.

В 19 веке одной из главных технических проблем общества было получение и использование электроэнергии. В 1870 году изобретатель Зеноб Грамм создал генератор постоянного тока - динамо-машину, тем самым представил возможным ее использование не только по прямому назначению, но и в качестве двигателя, превращающего электрическую энергию в механическую. Позднее ученые нашли способ передавать электроэнергию по проводам на огромные расстояния. Российский инженер -электротехник Михаил Доливо-Добровольский добился немалых успехов в области практического использования наиболее экономичной и технически эффективной системы трехфазного переменного тока. Подобные достижения привели к массовому производству электроэнергии с помощью специальных установок и аппаратуры, расположенных на определенной территории -электростанциях. Таким образом, промышленные предприятия избавились от необходимости строительства собственных энергетических станций.

Возможным стало получение электроэнергии со стороны, распределение ее по рабочим станкам, снабженным электроприводом. Последний в свою очередь сначала был общим для всего машинного парка: поток энергии передавался от одного электродвигателя к другим посредством трансмиссионной установки. Позднее электропривод модернизировался и стал групповым с несколькими двигателями, обслуживающими небольшую совокупность аппаратуры, и впоследствии индивидуальным с отдельным двигателем для каждого промышленного оборудования. С внедрением электродвигателей увеличились скорость рабочих станков, показатели производительности труда и шансы последующей автоматизации производственного процесса.

Для наращивания производства электричества требовалось наращивание мощности первичных двигателей, приводивших в действие генераторы электрического тока. Машиностроители повысили коэффициент полезного действия и мощность паровых машин до нескольких тысяч лошадиных сил. Аналогичным образом улучшались системы паровых котлов. Тем более успешными в конструктивном отношении оказались водотрубные (прямоточные) котлы, представляющие собой водогрейные котлы, поверхность нагрева которых состояла из множества кипятильных трубок, а внутри них действовал теплоноситель. Изобретения были сконструированы компанией «Бабкок-Вилькокс» в Великобритании, а также советским инженером Владимиром Шуховым. Поверхность нагрева самых больших из данных котлов достигала 2 тысяч квадратных метров. Но силовые установки с поршневыми паровыми машинами имели некоторые дефекты. Эти машины оставались сравнительно медленными в то время, когда промышленность и транспорт испытывали растущую потребность в быстроходных двигателях. На создание поршневых машин уходило большое количество металла, а попытки снижения их веса не обвенчались успехом, что представлялось особенно важным для зарождавшегося производства автотранспорта и авиации. Не удавалось преодолеть и громоздкость двигателей. В 1898 году в городе Нью-Йорк при сооружении электростанции мощностью 30 тысяч киловатт ученые установили 12 паровых машин и 87 котлов, для чего потребовалось многоэтажное здание, что стало предпосылкой для создания более быстрых, компактных и экономичных первичных двигателей.

В 1883 году шведский инженер Густаф де Лаваль предложил первую конструкцию одноступенчатой паровой турбины. Турбины, которые он построил, имели мощность около 500 лошадиных сил и развивали скорость до 30 тысяч оборотов в минуту, но высокая скорость потока пара и невозможность напрямую контролировать количество оборотов не обеспечили их массового использования. Наиболее удачными оказались работы британского инженера Чарлза Парсонса. В 1884 году он предложил свою первую многоступенчатую паровую турбину. Широкое использование тепловых турбин началось в 1899 году - после успешных испытаний на теплоэлектростанции в Эльберфельде (Германия).

Разработка новых конструкций гидравлических турбин началась в то же время. Такие турбины были, в частности, установлены на Ниагарской ГЭС, одной из крупнейших электростанций того времени, построенной в 1896 году.

Двигатели внутреннего сгорания также приобрели особенное значение.

В середине 1980-х годов немецкие изобретатели Готтлиб Даймлер и Карл Бенц предложили конструкцию легких двигателей внутреннего сгорания, работающих на жидком топливе (бензине) и удовлетворяющих требованиям моторного безрельсового транспорта. В 1896-1897 годах немецкий изобретатель Рудольф Дизель предложил двигатель внутреннего сгорания с более высоким КПД. В 1899 году этот тип двигателя был адаптирован для работы с тяжелым жидким топливом. В результате он распространился во все сферы промышленности и транспорта.

Наряду с такой новой отраслью, как электротехническая, старые были существенно обновлены, и прежде всего металлургия.

Машиностроение, судостроение, военная промышленность и железнодорожный транспорт предъявляли огромный спрос на черные металлы. В этом отношении металлургические технологии достигли огромных успехов. Конструкции значительно изменились, а объем доменной печи увеличился. Многочисленные улучшения были реализованы в бессемеровском и мартеновских процессах преобразования чугуна в сталь. В 1878 году английский изобретатель Томас Джефферсон представил новый, так называемый томасовский, метод передела фосфористых сортов чугуна в сталь, с помощью которого расплавленный металл можно было освободить от фосфора, удаление которого в производстве с использованием методов Бессемера и мартеновскими способами было невозможно. В 1898-1900 годах Э. Стассано в Италии и Л. Эру во Франции завершили два практически пригодных проекта дуговых плавильных электропечей, которые позже получили широкое применение. Появление индукционных плавильных печей относится к тому же периоду.

Законы физики положены в основу работы различных машин, используемых в промышленности, сельском хозяйстве, на железных дорогах, в воздушном, автомобильном и водном транспорте. Современная черная и цветная металлургия, машиностроение, химическая промышленность, станкостроение, пищевая промышленность, промышленность строительных материалов и многие другие отрасли народного хозяйства нуждаются в контроле и управлении технологическими процессами. Мониторинг и управление технологическими процессами, которые в настоящее время реализуются с повсеместной автоматизацией производства, осуществляются большим количеством теплофизических, электронных, радиоэлектронных, оптических устройств и компьютеров. Вот почему возникли целые отрасли приборостроения, неразрывно связанные с физическими лабораториями университетов и научно-исследовательских институтов Российской академии наук (РАН). Наука становится производительной силой в физических лабораториях.

Между наукой и производством, научной теорией и практикой существуют довольно сложные отношения, но все эти виды человеческой деятельности не могут существовать без полной взаимообусловленности и взаимосвязи. Можно привести много примеров, когда наука в теории вышла за пределы практики и, наоборот, практика, т.е. техника, повлияла на развитие теории.