Новые патроны произвели большое впечатление, но офицеры заметили, что из-за дополнительного взрывчатого вещества хрупкие чугунные ружья могут взрываться. Для таких ружей патроны слишком велики. Бессемер не согласился: проблема ведь была в ружьях, а не в патронах, поэтому поставил себе задачу придумать лучший способ изготовления ружей.
Он решил улучшить качество железа, отливая его другим способом. Он официально приступил к экспериментам с железом, которое отливал прямо в печи у себя дома, но изобретение, по-настоящему сделавшее ему имя, произошло почти по ошибке.
Однажды в своей мастерской Бессемер нагревал в печи куски железа. Несмотря на максимальный нагрев, несколько кусочков на верхней полке отказывались плавиться. Бессемера это расстроило, и он стал нагнетать горячий воздух в верхнюю часть печи, а затем пошевелил кочергой куски железа, чтобы узнать, расплавились ли они наконец. К его величайшему удивлению, они оказались не такими хрупкими, как чугун, а пластичными и гибкими. Заметив, что это как раз те куски, что находились ближе всего к потоку горячего воздуха, Бессемер понял, что кислород воздуха, должно быть, среагировал с углеродом и другими примесями железа и удалил их из металла.
До того момента все пытались очистить железо от примесей, нагревая его на углях и другом топливе в открытой печи. Бессемер решил использовать закрытую печь с проходящим через нее потоком теплого воздуха, без какого-либо топлива. По сути, нагревание происходит за счет горячего воздуха, который нагнетается в емкость с крышкой, в отличие от нагревания в открытой кастрюле на газовой конфорке. Кажется, что горящий газ создает больше тепла, чем горячий воздух, но это не так.
Бессемер, должно быть, с опаской наблюдал, как из печи полетели искры, когда началась химическая реакция. Потом в печи начался настоящий ад: в ней тут и там происходили маленькие взрывы, от которых разлетались капли расплавленного металла. Он даже не мог подойти к этой машине, чтобы ее выключить. Спустя десять минут кошмара взрывы прекратились. Бессемер обнаружил, что в результате в печи осталось чистое железо.
Бессемеровский процесс: метод производства стали, который использовался в промышленных масштабах и привел к радикальным изменениям в строительной отрасли
Адские взрывы в печи были результатом экзотермической реакции – химической реакции, в ходе которой выделяется энергия (обычно в виде тепла) при окислении примесей. Когда кислород тихонько поглотил примесь кремния, он среагировал с углеродом, в результате чего выделилось огромное количество тепла. От этого тепла железо нагрелось куда больше, чем это могла позволить сама печь, так что Бессемеру не нужны были дополнительные источники тепла.
Чем горячее становилось железо, тем больше примесей загоралось, а эта реакция, в свою очередь, еще сильнее нагревала железо, в результате чего загоралось еще больше примесей. Такой позитивный цикл создавал чистое расплавленное железо.
Теперь можно было работать с чистым железом, и Бессемеру легко удалось добавить в него нужное количество углерода, чтобы создать сталь. До этого изобретения запредельные затраты на производство стали позволяли использовать ее только для изготовления ножей и кухонной утвари, а также пружин, и на этом все. Бессемер преодолел эту невероятную преграду.
Он представил свою работу на совещании Британской ассоциации в Челтнеме в 1856 году. Процесс изготовления стали вызвал большой резонанс, так как он позволял производить ее в шесть раз дешевле, чем все остальное. Бессемер получал десятки тысяч фунтов от заводов по всей стране за право использовать его процесс в производстве. Но тот факт, что он не понимал химии процесса, чуть его не погубил.
Когда другие производители попытались воспроизвести его метод, у них ничего не вышло. Они разозлились на него за то, что потратили уйму денег на лицензию, и подали на него в суд, а ему пришлось вернуть им все деньги. Следующие два года он пытался разобраться, почему процесс прекрасно проходит в его кирпичной печи, но не получается в других. Наконец он разгадал секрет: в железе, которое он использовал, была очень незначительная примесь фосфора. А его коллеги использовали железо с высоким содержанием фосфора, которое, очевидно, не проявляет подобных свойств в кирпичной печи. Бессемер стал экспериментировать с печами и пришел к выводу, что ответ кроется в замене обычного кирпича на известковый.
Однако недоумение и финансовые потери, которые вызвал оригинальный процесс Бессемера, привели к всеобщему недоверию, так что на этот раз ему уже никто не поверил. Наконец он решил открыть свой собственный завод в Шеффилде для массового производства стали. На опровержение подозрений ушло еще несколько лет, а потом заводы начали изготавливать сталь в промышленных масштабах. К 1870 году 15 компаний производили 200 тысяч тонн стали в год. Когда Бессемер умер в 1898 году, во всем мире производилось уже 12 миллионов тонн стали в год.
Сталь высокого качества преобразила железнодорожную сеть, потому что рельсы теперь стало можно производить быстро и дешево, а служили они в десять раз дольше, чем железные рельсы. В результате начали строиться более крупные, тяжелые и скорые поезда, и в транспортных артериях закипела новая жизнь. Благодаря более низкой стоимости сталь начали применять в строительстве мостов и зданий, которые выросли до небес.
Без бессемеровской стали я не смогла бы спроектировать пешеходный мост Нортумбрийского университета, основанный на способности стали выдерживать силу растяжения. Этот мост – мой первый проект, к которому я приступила сразу после окончания университета. Я все так же ясно помню первый день на работе, когда я ехала в переполненном метро на Ченсери-лейн в Лондоне, и как толпа спешащих на работу пассажиров в офисных костюмах буквально подхватила меня и вынесла на станцию. Я волновалась, нервничала и ощущала себя в деловой одежде очень неловко, шагая по тротуару к месту назначения – пятиэтажному офисному зданию, облицованному белым камнем.
Моим новым начальником стал Джон, стройный мужчина среднего роста, с прямыми короткими темными волосами, в очках без оправы и со страстной любовью к крикету (до которой мне, хоть я и выросла в Индии, было очень далеко). Мы заполняли документы, и процесс этот иногда оживляли его ироничные и забавные замечания. Однако я умолчала о том, что сегодня мой 22-й день рождения. Затем он показал мне эскиз нового пешеходного моста, который собирались построить в Ньюкасле. Уверенные отметки карандаша показывали, что на восточном конце моста высокая башня будет поддерживать три пары тросов. Тросы, в свою очередь, будут поддерживать основное полотно моста. Чтобы уравновесить нагрузку, которую вес моста оказывает на эту башню, сзади ее будут держать еще несколько тросов. Мы сидели там с Джоном и рассматривали эти рисунки, и я тихонько ликовала. Как по мне, так это лучший подарок на день рождения, который только может получить девушка. Меня просто переполняли эмоции, оттого что моим первым проектом станет такая элегантная и необычная постройка. И, помимо очаровательной эстетики этого моста, в нем было несколько нюансов, которые делали его в моих глазах еще прекраснее.
Этот мост – вантовый. Есть еще один известный пример мостов такого типа – Виадук Мийо во Франции. Его слегка изогнутое полотно поддерживают семь столбов, от которых расходятся тросы, образуя паруса и создавая впечатление, что мост парит в 270 метрах над долиной реки Тарн. У вантовых мостов одна или несколько высоких колонн, к которым крепятся тросы. Полотно стремится вниз под воздействием гравитации, а тросы тянут его наверх и таким образом постоянно испытывают силу растяжения. Сила растяжения передается от тросов колонне. Колонна, в свою очередь, испытывает силу сжатия, которая передается в основание моста. Основание распределяет силы и передает их земле.
Рабочий эскиз пешеходного моста Нортумбрийского университета руки Джона Паркера
Для свежеиспеченного инженера проектирование тросов моста Нортумбрийского университета (которые, кстати, толщиной с мой кулак) стало настоящим вызовом. Если взять металлическую линейку и представить, что это стальное полотно, а три пары резинок приладить вместо тросов, то окажется, что их нужно натягивать со строго определенной силой, чтобы они все пришли в одинаковое растяжение и равномерно поддерживали линейку. Если слишком сильно натянуть резинки с одной стороны, то полотно опрокинется набок. Если слишком сильно натянуть пару резинок в середине, то мост выгнется вверх. А теперь представьте, что это может произойти и с настоящим большим мостом.
Виадук Мийо во Франции – элегантный пример вантового моста
В специальных компьютерных программах я создала трехмерную модель тросов, идущих под мост, и тросов, натянутых между полотном и мачтой. Затем я смоделировала воздействие гравитации. Кроме того, я учла вес всех людей, которые будут находиться на этом мосту, притом что они могут собираться группами то в одной, то в другой части моста. Например, во время Большого северного забега, когда атлеты пробегают по трассе под мостом, толпы болельщиков теснятся с одной стороны моста, встречая их, а потом переходят на другую сторону, чтобы посмотреть, как они убегают. Мне нужно было продумать «вероятностную нагрузку», и я смоделировала людей, которые образуют разные группы на разных сторонах моста. Независимо от того, где стоят люди, тросы должны сохранять растяжение, чтобы поддерживать полотно. Если тросы потеряют растяжение, то станут гибкими, и полотно потеряет поддержку. Чтобы этого не произошло, я искусственно добавила тросам растяжения.
Тросы можно натянуть сильнее с помощью разъема, который представляет собой трубку с застежками с обеих сторон. В каждом тросе есть как минимум один промежуток, куда можно установить такой разъем. Застежки съедают немного троса с обеих сторон промежутка. Можно установить разъем так, чтобы он стягивал концы ближе (чтобы сильнее натянуть трос) или дальше друг от друга (чтобы его расслабить), и таким образом ими можно регулировать величину силы, воздействующей на трос. Если рассмотреть тросы, которые веером расходятся от мачты на моем пешеходном мосту, то можно увидеть на них места соединения, которые немного толще самих тросов: это как раз те места, где временно были установлены разъемы. Принцип такой же, как если бы мы заменили резинки в нашем домашнем эксперименте на более короткие, а потом натянули бы их до той же длины, что и первые. Так они растянутся сильнее, и сила растяжения в них будет больше.