Артиллерийское и пехотное вооружение

К 70-м гг. XIX в. с введением нарезной артиллерии дальность стрельбы орудий увеличилась до 3-3,5 км, а меткость ее превосходила меткость гладкоствольной артиллерии примерно в 5 раз. Баллистические качества орудий улучшались.

Во время Первой мировой войны началось массовое производство орудий самых разнообразных систем, боеприпасов, приборов управления огнем. В начале войны начали широко применяться станковые и ручные пулеметы, минометы, траншейные орудия. К концу войны армии имели специализированные артиллерийские части, противотанковую зенитную артиллерию, артиллерию сопровождения пехоты и т.д.

Дальнобойность гаубиц возросла на 25%, пушек - на 30%. Если в начале войны максимальная дальность полета артиллерийских снарядов не превышала 16-18 км, то в 1917 г. знаменитая немецкая пушка «Колоссаль» обстреливала Париж с расстояния в 120 км. В начале войны основной силой передвижения орудий была конная тяга. В процессе войны железные дороги стали одним из главнейших средств сообщения армий.

Часть батарей тяжелой артиллерии, а также зенитные батареи были снабжены тракторами. Паровые тракторы использовались для буксировки тяжелых осадных орудий. Гусеничный трактор был применен в войну 1914-1918 гг. впервые и именно для нужд артиллерии. Пехотное вооружение в начале войны состояло из нарезной винтовки и штыка. Значение винтовки к концу войны явно уменьшилось, в то же время повысилась роль пулеметов.

В начале XIX в. пехотный батальон делал всего 2 тыс. выстрелов в минуту, во время Франко-прусской войны производил уже 7 тыс., а накануне Первой мировой войны – 15 тыс.

Взрывчатые вещества

В 70-х гг. XIX в. была изобретена скорострельная магазинная винтовка. Ее выгодные боевые качества терялись из-за применения дымного пороха. При частой стрельбе из магазинной винтовки дым не успевал рассеиваться, поэтому стрелкам были плохо видны цели. Д.И. Менделеев открыл секрет бездымного пороха. В 1891 г. было начато заводское изготовление бездымного пороха по методу Д. И. Менделеева.

Со второй половины XIX в. появляются бризантные (дробящие) взрывчатые вещества. В 1854 г. русский химик Н.Н. Зинин впервые предложил применить нитроглицерин в качестве взрывчатого вещества. В 1863 г. артиллерийский офицер В.Ф. Петрушевский разработал способ приготовления значительных количеств нитроглицерина и способ его взрывания.

В 1865 г. Нобель изобрел капсюль-детонатор, при применении которого получался наиболее мощный взрыв нитроглицерина. В 1888 г. он предложил нитроглицериновый порох – баллиат.

С 70-х гг. XIX в. началось применение бризантных взрывчатых веществ в артиллерии. В конце 80-х гг. XIX в. в ряде европейских стран для снаряжения боеприпасов стали применять пикриновую кислоту.

В войне 1914-1918 гг. были испытаны боевые отравляющие вещества. К концу войны в Германии около ¼ всех боевых припасов для артиллерии составляли химические снаряды. Первыми отравляющими веществами были хлор, хлорпикрин, фосген, иприт и др.

Новые типы боевых машин

К началу Первой мировой войны авиация играла роль вспомогательного разведывательного средства. Все воевавшие страны имели накануне войны около 600 самолетов в строю и приблизительно 1 тыс. самолетов в запасе. В 1915 г. сложились 3 рода военной авиации: разведывательная, истребительная и бомбардировочная. За время войны были созданы истребители, развивавшие горизонтальную скорость до 220 км в час с высотой полета до 7 км и дальностью до 900 км. Появились легкие, средние и тяжелые бомбардировщики со скоростью 180 км/час, с потолком полета 4,5-5,5 км, дальностью 500-600 км. Франция, Англия и Германия за период войны построили почти 150 тыс. самолетов.

Танк представляет собой полностью бронированную машину с мощным вооружением, установленным во вращающейся башне. Он способен передвигаться при полном бездорожье. Первый проект вездеходной бронированной боевой машины был разработан в 1903 г. во Франции капитаном Левассером. В 1911 г. в Петербурге русский инженер В.Д. Менделеев предложил свой оригинальный проект бронированной гусеничной машины. В Англии идея «сухопутного крейсера» встретила в военных кругах поддержку, поэтому в 1915 г. здесь был построен тяжелый танк, послуживший исходным образцом для первых боеспособных английских танков.

В марте 1915 г. изобретатель А. Васильев разработал проект и изготовил модель гусеничной боевой машины. Первый русский танк «Вездеход» был собран в Риге. В то же время, во время Первой мировой войны в России так и не было освоено их изготовление, и лишь в 1919 молодая Советская республика сумела наладить их производство.

Самым крупным танковым сражением во время Первой мировой войны было сражение при Амьене 8 августа 1918 г. В нем участвовали 580 английских и 90 французских танков.

Военное судостроение

Перед Первой мировой войной основными типами военных судов являлись крупнейшие морские корабли, сначала броненосцы, потом дредноуты. Первый дредноут был построен в Англии в 1906 г. Дредноут отличался от броненосца мощностью вооружения и брони.

Военные корабли превратились в инженерные сооружения: на них устанавливались двигательные механизмы, крупные электроустановки, мощное вооружение, радиостанции, сложнейшие приборы управления кораблем и боевыми средствами.

Во время войны были применены подводные лодки. Подводная лодка предназначалась для нанесения скрытых торпедных ударов по кораблям и транспортам противника, а также для ведения разведки и расстановки мин. Одним из главных недостатков лодок, применявшихся во время Первой мировой войны, была незначительная скорость в погруженном состоянии. Лодка могла только подкрадываться к судам, стоящим на якоре или медленно крейсирующим.

В России идея подводного судна была выдвинута Е. Никоновым, который в 1725 г. построил «потаенное огневое судно». В 1855 г. инженер Бауэр построил подводную лодку «Морской черт». В России в 1903-1915 гг. по проектам конструкторов И.Г. Бубнова и М.П. Налетова было создано несколько подводных лодок типа «Барс» водоизмещением в 650 т., вооруженных 12 торпедными аппаратами. Русская подводная лодка типа «Краб», сконструированная в это же время, была первым минным заградителем.

Состояние естествознания

В 1871-1917 гг. новые открытия подорвали основы старой, механической картины мира и расчистили путь для дальнейшего развития эволюционных идей в естествознании, астрономии, в науке о земле, в биологии. В области же физико-химических наук, в представлениях о материи, элементах времени и пространства доминировали механические идеи. Развитие науки и ломка механических представлений о мире приводят, с одной стороны, к идее о единстве мира, а с другой – к концепции относительности наших знаний о нем.

Математика

В 1899 г. Д. Гильберт впервые разрешил задачу построения геометрической системы. Теория множеств как математическая дисциплина была основана в 1874-1884 гг. немецким математиком Г. Кантором. Теория множеств явилась одной из основ развития теории функций действительного переменного, современной общей топологии и других дисциплин. Теория вероятностей занимается изучением случайных явлений, течение которых заранее нельзя точно предсказать и осуществление которых при одинаковых условиях может протекать совершенно различно в зависимости от случая. Теория вероятности находит применение в естествознании и технике, главным образом в теории наблюдений, развившейся в связи с потребностями геодезии и астрономии, а также в теории стрельбы.

Развитие математики в России с 60-х гг. XIX в. по 1917 г. характеризуется значительным расширением области изысканий, а также возникновением научных коллективов с отчетливо выраженными тематикой и принципом исследований. Первым таким коллективом по времени возникновения и по значению была петербургская математическая школа во главе с крупнейшим математиком П. Чебышевым. Сын помещика, он получил математическое образование в Московском университете, где на научное формирование ученого оказал заметное влияние профессор Н. Брашман. В 1847 г. ученый был приглашен на работу в Петербургский университет, где в звании профессора с 1850 г. и члена Императорской С.- Петербургской Академии наук - с 1853 г. он в течение трех десятилетий вел преподавание математики и осуществлял подготовку многочисленных учеников. В творчестве П. Чебышева получили развитие теория чисел, теория вероятностей, интегрирование алгебраических функций; в непосредственной связи с запросами техники он создал теорию наилучшего приближения функций.

Среди различных отделов теории чисел в XIX в. видное место заняли вопросы распределения простых чисел, которых, по утверждению еще древних греков бесконечно много среди чисел натурального ряда. Целью магистерской диссертации П. Чебышева явилось построение теории вероятностей на элементарной основе. А. Марков провел исследование закона больших чисел и центральной предельной теоремы и показал, что оба они сохраняют силу и при менее ограничительных условиях, чем предполагавшиеся первоначально.

Первое время существовал антагонизм между математиками петербургской школы, мало ценившими отвлеченные построения теории функций, представлявшиеся им бесполезными при решении важных конкретных задач математики и математического естествознания, и московскими математиками, далекими от традиционных классических проблем, стоявших в центре интересов последователей П. Чебышева. Однако последующее развитие вскоре показало, что этот антагонизм имел субъективный характер и что противоположные тенденции на самом деле обогащали друг друга. Абстрактные идеи и методы теории функций, как и многомерных геометрий, топологии, новейшей алгебры оказались эффективными и ценными при решении трудных конкретных задач, которые не удавалось решить с помощью прежних методов. С другой стороны, конкретные задачи математической физики, вариационного исчисления, теории вероятностей и других классических дисциплин оказались эффективным полем приложений отвлеченных теорий и требовали дальнейшего развития самих этих теорий. Убедительным примером научного сотрудничества явилась разработка функционального анализа и его применений в новой теоретической физике.

Астрономия

В 1890 г. Пулковскую обсерваторию возглавил Ф. Бредихин, создавший ранее первую в России астрофизическую школу в Московском университете, где он работал в качестве профессора. Ученый разработал механическую теорию кометных форм, которая объясняла все типы наблюдаемых кометных хвостов различными соотношениями исходящего от Солнца притяжения и отталкивания. Реальность соответствующей силы отталкивания, могущей исходить от Солнца, обнаружилась, когда П. Лебедев открыл эффект давления света, сначала теоретически (1891), а затем и экспериментально (1900), как для твердых тел (1900), так и для газов (1910).

Механика

Важнейшим результатом развития механико-математической мысли в России в конце XIX – начале XX вв. было появление классических работ по гидродинамике и аэродинамике, принадлежащих Н. Жуковскому. В 1868 г. Н. Жуковский окончил физико-математический факультет Московского университета. С 1872 г. он преподавал в Московском высшем техническом училище сначала математику, а затем, с 1874 по 1919 гг., механику. В 1886 г. он возглавил кафедру механики в Московском университете. Совмещая работу в двух ведущих высших учебных заведениях, ученый пытался найти на практике применение своим теоретическим разработкам. В течение многих лет Н. Жуковский руководил московским математическим обществом, став в 1903 г. его вице-президентом, а в 1905 г. – президентом.

Применение геометрического метода изложения механики позволило Н. Жуковскому в магистерской диссертации «Кинематика жидкого тела» (1876) представить наглядную картину законов движения частицы жидкости в потоке. Обозначив в первые годы своей научной деятельности широкий круг проблем общей механики, механики твердого тела, гидродинамики, астрономии, он в 1878-1885 гг. изучил вопрос об ударе твердых тел; в 1885 г. опубликовал капитальный труд по гидромеханике «О движении твердого тела, имеющего полости, наполненные однородной капельной жидкостью»; в 1896 г. дал геометрическую интерпретацию общего случая движения твердого тела вокруг неподвижной точки.

Н. Жуковский выполнил крупные исследования в области гидравлики, связанные с течением грунтовых вод. Непосредственным поводом для них послужили задачи, возникшие при реконструкции и эксплуатации московского водопровода. Ученый установил, что причиной аварий является гидравлический удар, то есть резкое повышение давления в трубах при быстром закрытии задвижки в трубе. На основании многих опытов он раскрыл физическую сущность явления гидравлического удара и вывод формулы определения времени, необходимого для безопасного закрытия водопроводных труб, а также предложил способ предохранения водопровода от повреждений при гидравлическом ударе.

Особое место в исследованиях Н. Жуковского занимала разработка теоретических основ авиации. Вопросами полета на аппаратах тяжелее воздуха ученый заинтересовался еще в конце 80-х гг. XIX в., поставив перед собой задачу решения проблемы подъемной силы. Лишь в 1906 г. Н. Жуковский установил, что подъемная сила возникает в результате обтекания потоком неподвижного присоединенного вихря или системы вихрей, которыми можно заменить тело, находящееся в потоке жидкости.

Н. Жуковский воспитал поколение ученых и инженеров в различных областях механики, в том числе таких авиационных специалистов, как С. Чаплыгин, А. Некрасов, Л. Лейбензон, А. Туполев. Так, под влиянием работ Н. Жуковского по гидродинамике С. Чаплыгин, будучи еще студентом Московского университета, написал статью «О движении тяжелых тел в несжимаемой жидкости». В 1890 г. он окончил университет, а в 1894 г. начал преподавать в нем. В 1896-1906 гг. С. Чаплыгин преподавал также механику в Московском высшем техническом училище, а с 1901 г. – на Московских высших курсах, которыми заведовал с 1905 г. Основное место в творчестве С. Чаплыгина занимают его исследования по механике жидкости и газа. В 1902 г. ученый опубликовал классический труд, ставший докторской диссертацией, «О газовых струях», в которой разработал метод, позволяющий во многих случаях найти решение ранее поставленной задачи о «прерывном» течении сжимаемого газа. Однако работа не получила широкого признания. Одна из причин этого заключалась в том, что при скоростях, которые использовались тогда в авиации, не было необходимости учитывать влияние сжимаемости воздуха, а в артиллерии наибольший интерес представляли исследования при скоростях, больших скорости звука.

В 1910 г. начинается цикл работ С. Чаплыгина по теории крыла. Рассмотрев вопрос о подъемной силе, ученый утверждал, что появление циркуляции связано с многозначностью потенциала скоростей, причем вычислил циркуляцию скорости вокруг бесконечно удаленной точки. В дальнейшем, занявшись изучением величины продольного момента, действующего на крыло, он установил простую зависимость продольного момента от угла атаки. С. Чаплыгин показал, что коэффициент продольного момента при больших углах атаки положителен и уменьшается с уменьшением угла атаки. При отрицательных углах атаки продольный момент остается отрицательным, но абсолютная величина его с ростом абсолютного значения угла атаки крыла возрастает.

На рубеже XIX-XX вв. была создана новая область механики – динамика тел переменной массы И. Мещерского и теория ракетного движения К. Циолковского. И. Мещерский, воспитанник Петербургского университета, с 1890 г. в течение двадцати пяти лет преподавал в университете, а с 1902 г. в течение тридцати трех лет руководил кафедрой Петербургского политехнического института, организованного незадолго перед этим. Широко известен его курс теоретической механики и задачник по механике, выдержавший более двадцати изданий.

Физика

Экспериментальное подтверждение Г. Герцем в 1886-1888 гг. существования электромагнитных волн, теоретически предсказанного К. Максвеллом, оказало значительное влияние на развитие физики конца XIX в. Русские физики еще до появления фундаментальных работ Г. Герца экспериментально доказали следующие положения максвелловской теории электромагнитного поля: 1) среда, окружающая взаимодействующие наэлектризованные, намагниченные или обтекаемые током тела, принимает непременное участие в качестве передатчика взаимодействий, характер которых существенно зависит от свойств среды в соответствии с выводами теории; 2) не существует «концов тока», а через диэлектрик проходит ток смещения; в результате все токи оказываются замкнутыми; 3) имеет место равенство для твердых и жидких диэлектриков; 4) носители электрического заряда в электролитах обладают инерцией.

Исследования в области электромагнитных волн принадлежат профессору Московского университета П. Лебедеву, который в начале своего научного пути стажировался в области экспериментальной физики в Германии у А. Кундта, а затем работал в лаборатории у А. Столетова. При Московском университете ученый создал свою школу физиков, но в 1911 г., в знак протеста против реакционной политики министра народного просвещения Л. Кассо перешел на преподавательскую работу в Московский городской народный университет имени А. Шанявского, созданный на частные средства. В 1895 г. П. Лебедев предпринял попытку продолжить опыты Г. Герца, которому впервые удалось обнаружить отражение, преломление и поляризацию электромагнитных волн длиной около 60 см и тем самым доказать их принципиальную аналогию со световыми волнами. Российскому ученому удалось впервые получить волны длиной 6 мм и поэтому наблюдать двойное лучепреломление на кристаллах ромбической серы, проверив закон К. Максвелла для кристаллической среды.

В 1888 г., во время изучения эффектов воздействия света на вещество, А. Столетовым были установлены следующие особенности активно-электрического явления: 1) прямо пропорциональная зависимость силы тока интенсивности падающего света и освещаемой площади; 2) ток тем больше, чем сильнее поглощение света в поверхностном слое; 3) он зависит от контактной разности потенциалов между освещаемой пластинкой и сеткой.

В отличие от российского ученого, увидевшего в фотоэлементе лишь наглядное подтверждение своих теоретических представлений, физики И. Эльстер и Г. Гейтель получили в Германии патент на самостоятельно разработанный ими фотоэлемент в 1890 г.

Электротехника, зарождавшиеся автомобильная и авиационная промышленность нуждались в новых металлах и сплавах особого назначения, систематическое изучение которых было проведено Н. Курнаковым. Он родился в Вятской губернии, среднее образование получил в Нижегородской военной гимназии, а высшее – в Горном институте в Петербурге, который закончил в 1882 г. Н. Курнаков защитил диссертацию «О сложных металлических основаниях», за которую в 1894 г. получил звание профессора по кафедре химии Горного института. В ходе проведения систематических исследований различных металлических, солевых и органических систем Н. Курнаков с коллегами создали физико-химический анализ, основанный на изучении равновесных систем, образованных двумя или большим числом компонентов, путем измерения свойств в зависимости от изменения состава и построения соответствующих диаграмм «состав – свойство». В 1908-1912 гг., расширяя работы по исследованию сплавов, Н. Курнаков применил измерение твердости и определение давления истечения как новые методы физико-химического анализа.

В 1868 г. профессор Казанского университета Н. Головкинский сформулировал основные принципы осадкообразования, в соответствии с которыми возраст отложений осадочных пород может изменяться не только в вертикальном, но и в горизонтальном направлении в связи с перемещениями береговой линии, вызванными колебательными движениями земной поверхности. Была установлена взаимосвязь осадконакопления, слоеобразования и тектонических движений.

Биология

Первая половина XIX в. характеризуется противоречием между накопленным эмпирическим материалом и господствовавшим в науке представлением об абсолютной неизменности органического мира. В процессе подрыва веры в постоянность органического мира наступил кризис «креационизма».

В начале второй половины XIX в. на смену «креационизму» пришло эволюционное учение Ч. Дарвина, который не только привел убедительные доказательства исторического развития органического мира, но и дал материалистическое объяснение возникновению целесообразной организации живых существ, их приспособленности к условиям существования. Такое радикальное восприятие учения Ч. Дарвина российским научным сообществом было подготовлено их предшествующей работой в теории органической эволюции и усилено атмосферой ожидания политических перемен, напрямую связывавшихся с буржуазными реформами 60-70-х гг. XIX в.

И. Мечников расходился с Ч. Дарвином по вопросу о движущих силах эволюции, считая главными факторами эволюции не естественный отбор, а «наследование приобретенных характеристик и особое внутреннее стремление организма к совершенствованию».

Работой Н. Северцова «Вертикальное и горизонтальное распределение туркестанских животных» (1873) были заложены основы экологической зоогеографии. А. Северцов показал, что признаки организации животных могут обнаруживаться на разных стадиях индивидуального развития и создал законченное учение о соотношении онтогенеза и филогенеза.

После Ч. Дарвина систематика животных все более делалась дисциплиной, опирающейся на данные сравнительной (эволюционной) морфологии - сравнительной анатомии и эмбриологии. В ходе сравнительно-анатомических и эмбриологических работ А. Ковалевского, И. Мечникова был выделен тип хордовых, в который наряду с позвоночными были включены бесчерепные, оболочники и кишечнодышащие.

Российские зоологи второй половины XIX в. широко интересовались проблемами индивидуального развития, начиная с оплодотворения и ранних эмбриональных стадий. В науке того периода отсутствовало доказательство кровного родства между разными типами животных. А. Ковалевский и И. Мечников, изучившие эмбриологию значительного числа позвоночных, относящихся к разным типам, превратили теорию зародышевых листков из чисто топографического в генеалогическое обобщение. Поэтому на смену теории К. Бэра, признававшей обособленность крупных подразделений животного царства, пришло учение о родстве всех многочисленных животных и о путях их возникновения из одноклеточных предков.

В работах А. Ковалевского о развитии бесчерепных и «оболочников» он показал, что на ранних стадиях развития эти низшие хордовые развиваются сходно с многими беспозвоночными, а затем обнаруживаются явные признаки родства с позвоночными. Заслугой И. Мечникова является детальное выяснение закономерностей эмбрионального развития губок, низших кишечнополостных, плоских червей, ракообразных, паукообразных, многоножек, насекомых и иглокожих.

Физиология пищеварения была представлена классическими исследованиями И. Павлова, которые были обобщены в трудах «Лекции о работе главных пищеварительных желез» (1897), «Внешняя работа пищеварительных желез и ее механизм» (1906). Ученый показал, что существует непосредственная связь между характером сокоотделения и родом принятой пищи, а также выяснена роль пищеварительных ферментов в переваривании пищи. Исследования в области физиологии пищеварения послужили фундаментом для создания физиологии высшей нервной деятельности. В дальнейшем И. Павлов вскрыл основные механизмы динамики высшей нервной деятельности. Для этого он изучил условия выработки условных рефлексов, закономерности динамики процессов возбуждения и торможения в коре, их иррадиацию и концентрацию. Самым существенным моментом в развитии учения И. Павлова о высшей нервной деятельности явилась его речь «Естествознание и мозг» (1909), направленная против идеализма. Ученый пересмотрел существовавшее в физиологии представление о рефлексах и создал учение об условных рефлексах, вырабатывающихся в течение индивидуальной жизни. Условные рефлексы, судя по И. Павлову, являются выражением способности организма реагировать на новые условия.