Брюнель думал иначе. Его выводы основывались на простом рассуждении о масштабировании. Он понял, что объем груза, который может перевозить судно, увеличивается пропорционально кубу его размеров (как и его вес), а сопротивление, которое оно испытывает при движении в воде, возрастает пропорционально площади поперечного сечения корпуса и, следовательно, лишь квадрату размеров. Это очень похоже на вывод Галилея относительно масштабирования прочности балок и конечностей с увеличением веса. В обоих случаях прочность или сила возрастает медленнее, чем соответствующий вес, в соответствии с законом масштабирования с показателем ⅔. Таким образом, сила гидродинамического сопротивления, воздействующего на единицу веса груза судна, уменьшается прямо пропорционально длине корабля. Или, если взглянуть на эту ситуацию с другой стороны, возможный вес груза на единицу силы сопротивления, которую должны преодолевать двигатели судна, систематически возрастает с увеличением его размеров. Другими словами, более крупному судну требуется для перевозки каждой тонны груза пропорционально меньшее количество топлива, чем судну меньшего размера. Поэтому бо́льшие суда более производительны и более выгодны экономически, чем мелкие, – еще один замечательный пример экономии на масштабе, оказавший огромное влияние на развитие мировой торговли
[39].
Хотя эти выводы не казались очевидными и в них мало кто верил, Брюнель и Большая западная пароходная компания были убеждены в их правоте. Брюнель отважно взялся за проектирование первого судна компании, «Грейт Вестерн», которое стало первым пароходом, построенным специально для трансатлантических переходов. Это был колесный пароход, построенный из дерева (и имевший про запас четыре паруса – просто на всякий случай); на момент окончания постройки в 1837 г. он был самым крупным и самым быстрым судном в мире.
Воодушевленный успехом «Грейт Вестерн» и полученным подтверждением справедливости принципа масштабирования – согласно которому крупные суда обладают большей производительностью, чем мелкие, – Брюнель построил еще более крупный корабль, разработанный со смелым использованием новых технологий и материалов, никогда ранее не совмещавшихся в одной конструкции. «Великобритания», спущенная на воду в 1843 г., была построена не из дерева, а из железа, и приводилась в движение не боковыми гребными колесами, а винтом, установленным на корме. Тем самым «Великобритания» была прототипом всех современных кораблей. Она была длиннее всех ранее построенных судов и стала первым винтовым кораблем с железным корпусом, пересекшим Атлантику. Еще и сегодня ее можно видеть полностью отреставрированной и законсервированной в сухом доке в Бристоле, созданном Брюнелем специально для ее постройки.
Покорив Атлантику, Брюнель обратил свое внимание на самую трудную задачу – соединение дальних концов разрастающейся Британской империи для укрепления ее положения в качестве господствующей мировой державы. Он хотел построить судно, которое смогло бы пройти без остановок от Лондона до Сиднея и обратно без дозаправки, на одной-единственной загрузке угля (причем дело было еще до открытия Суэцкого канала). Это означало, что такой корабль должен быть свыше 200 м длиной, более чем в два раза длиннее «Великобритании» и иметь почти в десять раз большее водоизмещение (то есть, по сути, вес). Судно, названное «Грейт Истерн», было спущено на воду в 1858 г. Следующее судно сравнимых размеров появилось почти пятьдесят лет спустя, уже в ХХ в. Чтобы почувствовать масштаб, о котором идет речь, можно отметить, что даже длина гигантских нефтяных супертанкеров, бороздящих океаны сегодня, более 150 лет спустя, превышает длину «Грейт Истерн» лишь немногим более чем в два раза.
Однако, как ни печально, «Грейт Истерн» оказался неудачным проектом. Хотя это судно было замечательным достижением инженерной мысли, поднявшим ее уровень до высоты, вновь достигнутой лишь через долгое время после начала ХХ в., его сооружение, как и многие другие проекты Брюнеля, сопровождалось многочисленными нарушениями сроков изготовления и превышениями бюджета. Но еще более явной была техническая неудача «Грейт Истерн». Судно оказалось тяжеловесным и неуклюжим, испытывало чрезмерную бортовую качку даже при умеренно сильном волнении и, что особенно важно, с трудом перемещало свою гигантскую массу даже на умеренной скорости. Как ни удивительно, не давало оно и большой экономической выгоды, в результате чего так и не было поставлено на службу империи для решения исходно поставленной перед ним грандиозной задачи – перевозки крупных грузов и многочисленных пассажиров в Индию и Австралию и обратно. Корабль совершил несколько трансатлантических переходов, после чего был бесславно преобразован в кабелеукладочное судно. Первый надежный трансатлантический телеграфный кабель, который обеспечил надежную связь между Европой и Северной Америкой и произвел тем самым революцию в области всемирной связи, был уложен в 1866 г. именно с борта «Грейт Истерн».
В конце концов «Грейт Истерн» использовался в Ливерпуле в качестве плавучего мюзик-холла и для установки рекламных плакатов, а в 1889 г. был отправлен на слом. Таков был печальный финал этого прекрасного замысла. В качестве курьезного примечания к этой истории, вероятно интересного только для страстных любителей футбола, можно упомянуть, что в 1891 г., когда был основан знаменитый британский футбольный клуб «Ливерпуль», в качестве флагштока для его нового стадиона была приобретена стеньга «Грейт Истерн». Она гордо возвышается там и по сей день.
Как же это случилось? Как мог столь великолепный замысел, воплощенный под руководством одного из самых блестящих и изобретательных инженеров всех времен, закончиться таким конфузом? «Грейт Истерн» был далеко не первым неудачно спроектированным судном, но сами его размеры, его новаторский замысел и огромная стоимость в сочетании со столь неблестящим результатом сделали его провал особенно впечатляющим.
10. Уильям Фруд и истоки теории моделирования
Когда система не работает или конструкция не соответствует ожиданиям, у такой неудачи обычно бывает множество разнообразных причин. В их число входят недостатки планирования и исполнения, низкое качество работы или материалов, ошибки руководства и даже концептуальные заблуждения. Однако есть ключевые примеры – и именно к ним относится история «Грейт Истерн», – в которых главной причиной неудачи является разработка конструкции без глубокого понимания лежащих в ее основе научных законов и базовых принципов масштабирования. Дело в том, что вплоть до второй половины XIX в. ни наука, ни масштабы не играли сколько-нибудь заметной роли в изготовлении большинства вещей, не говоря уже о морских судах.
Из этого утверждения есть некоторые существенные исключения, и наиболее заметное из них – это развитие паровых двигателей. Понимание взаимосвязей между давлением, температурой и объемом пара помогло создать чрезвычайно большие и производительные паровые котлы, которые и дали инженерам возможность строить гигантские суда вроде «Грейт Истерн», способные ходить по всему миру. Еще важнее то, что стремление разобраться в фундаментальных принципах и характеристиках эффективных двигателей, а также природе и разных формах энергии – тепловой, химической и кинетической – привело к развитию теоретических основ термодинамики. Что еще более существенно, законы термодинамики и концепции энергии и энтропии действуют далеко за пределами узкой области паровых двигателей и затрагивают любые системы, в которых происходит обмен энергией, будь то корабль, самолет, город, экономическая система, человеческий организм или вся Вселенная.
