Для учащижся старших классов

Профессия - изобретатель

Ничего не трогайте, Ватсон!

Нет, это не отрывок из рассказов о Шерлоке Холмсе. Томас Ватсон — ловкий бостонский мастеровой, служивший помощником у изобретателя телефона Александра Белла и оказавшийся волею судьбы непосредственным участником создания этого изобретения.

Александр Белл, как ни удивительно очередное совпадение, родился в том же 1847 г., что и уже известный нам Павел Яблочков, Томас Эдисон и Александр Лодыгин,— в период наибольшего расцвета электрического телеграфа. В США основанная Морзе «Магнетик телеграф компани» заканчивала грандиозное по тем временам строительство линии от города Миссисипи до морского побережья. В России Борис Якоби создавал все более совершенные аппараты, значительно обогнав всех конкурентов в надежности и скорости передачи. Под гипнозом невиданных успехов телеграфа никто, на первый взгляд, и не мечтал о других источниках связи. Трудно было даже предвидеть, что родившийся в интеллигентной эдинбургской семье симпатичный черноглазый мальчуган меньше чем через три десятилетия принесет миру средство связи, впервые позволившее передать живую человеческую речь.

Но это только с сегодняшних позиций изобретение телефона логично следует за изобретением телеграфа. Ну как же, провода протянуты — остается подключить микрофон и динамик! А ведь от появления первого электрического телеграфа Земмеринга до рождения первого телефона прошло почти семьдесят лет. И что интересно: телефон никогда не являлся предметом специальных поисков — видно, до передачи живой речи еще не додумались, не доросли. Таким образом, телефон — типичный пример случайного изобретения.

Увлечение техникой для Александра Белла началось с совершенно определенного желания — заработать сто тысяч долларов. Именно эту сумму обещала компания «Вестерн Юнион» тому, кто первым обеспечит одновременную передачу нескольких телеграмм по одному проводу. Задача формулировалась очень просто и доступно; именно поэтому многие изобретатели, в том числе и Белл, лихорадочно бросились на поиски решения. (Кстати, среди них был и вездесущий Эдисон — он впоследствии и одержал победу. Но это было несколькими годами позже, а сейчас борьба была в самом разгаре.) Правда, двадцатичетырехлетний преподаватель школы для глухонемых Белл был специалистом в области акустики речи и риторики — ораторского искусства. В электротехнике же и тем более в телеграфии он был абсолютным профаном. И все-таки Белл быстро добился результата. Добился благодаря опыту, который на первый взгляд не имел ровно никакого отношения к телеграфии. Помогло ему именно знание законов акустики.

Рис. 4. Музыкальный телеграф А. Бэлла — игра, из которой родилось великое изобретение.

Скромный школьный учитель первым делом изобрел весьма соответствующий его вкусам музыкальный телеграф. В основу его работы было положено следующее предположение: якорь электромагнита, выполненный в виде камертона, среагирует только на ток в обмотке, меняющийся с той частотой, на которую данный камертон настроен. И если с передающего аппарата «загнать» в телеграфный провод сразу несколько нот, то каждую из них выловит настроенный на нее камертон в приемном аппарате (рис. 4). Представьте семь таких камертонов, обмотки которых параллельно подключены к телеграфной линии: это обеспечивает возможность приема сразу семи телеграмм одновременно. Именно на такое число «частотных каналов» и был рассчитан первый аппарат Белла: изобретатель не отступил от музыкальной грамоты и остановился на числе каналов, равном числу нот в одной октаве.

И хотя музыкальный телеграф Белла — это красивое, но экзотическое изобретение не нашло продолжения, рассмотрение его представляет интерес. Это устройство послужило прототипом телефона.

Сначала о виде сигнала. Конечно, типичный для телеграфа — прерывистый. Итак, семь прерывистых сигналов, которые отличались друг от друга частотой повторения импульсов. Как получить такие сигналы? В простейшем случае можно создать набор из семи консольно закрепленных пластинок различной длины. Резонансные частоты механических колебаний этих пластинок различны и соответствуют нотам от «до» до «си». Если с помощью пластинок замыкать и размыкать электрическую цепь, то каждой из них будет соответствовать своя последовательность импульсов: период следования импульсов для самой длинной пластинки («до») будет максимальным — Т1, а для самой короткой пластинки («си») минимальным — Т7 Как же Белл передавал сигналы по «нотным» каналам? Очень просто. Ведь достаточно щелкнуть по любой пластинке, и она, начав вибрировать, пошлет серию импульсов в линию, ведущую к приемному аппарату. Остановим пластинку раньше — посылка короче; позже — посылка длиннее: вот вам и код Морзе, точки и тире. Только сами состоящие из отдельных коротких импульсов.

В приемном аппарате эти сигналы поступают на семь электромагнитных реле с подвижными якорями в виде тех же пластинок разной длины. Каждая из них, конечно, будет реагировать на любые изменения тока в цепи — вибрировать с частотой его изменения. Но максимальная амплитуда вибраций наступит на частоте, равной частоте механического резонанса данной пластинки (якоря). Дальше все просто. Конец каждой пластинки можно связать с самописцем, подобрав кинематику системы таким образом, чтобы перо самописца «дотягивалось» до ленты только при максимальной амплитуде колебаний якоря. Тогда каждый самописец будет реконструировать только «свою» ноту. Вместо механической связи с самописцем можно использовать и связь через реле: колеблющийся якорь, опять-таки на максимуме размаха, будет замыкать электрическую цепь, приводящую в действие регистрирующий прибор. Но не это главное, ведь очевидно, что «музыкальный» принцип работает независимо от вида регистрации.

Передающая часть в этом описании значительно упрощена. Сейчас трудно установить с какой целью, но она была сделана значительно сложнее, чем требовалось для работы аппарата. Его система была «зеркальной»: передающая и приемная части содержали одинаковые электромагнитные реле; ток от источника протекал сначала через обмотку передающего реле, а затем через прерывающийся его колеблющимся якорем контакт поступал в общую цепь. И обмотка и само реле кажутся лишними в передатчике, но именно благодаря этому излишеству и был позже изобретен телефон!..

Изобретение Беллом музыкального телеграфа получило финансовую поддержку, что придало ему уверенности в собственных силах. И хотя он впоследствии и проиграл Эдисону битву за многоканальный телеграф, полученный опыт не пропал даром. Он пригодился Беллу для решения задачи, имеющей для него профессиональный интерес: создание аппарата, способного продемонстрировать глухим «внешний вид» отдельных, звуков речи.

В этой работе Белл перебрал массу всевозможных конструкций аппарата. В один момент он был даже близок к изобретению фонографа — изобретению, сделанному через два с лишним года после этого Эдисоном и ставшему постоянным предметом его гордости. Дело обстояло следующим образом: Белл сконструировал аппарат, в котором колеблющаяся от звуковой волны мембрана была соединена с иглой, оставляющей следы на вращающемся барабане. Осталось только прокрутить барабан с записью и прослушать ее на мембране, которая послужила бы для воспроизведения звука. Но Белл был увлечен именно и только регистрацией звука, регистрацией чисто визуальной, как в хорошо известных ему телеграфных аппаратах. Мысль его была, таким образом, слишком закрепощена, и будущий изобретатель телефона прошел мимо фонографа.

Но из работы над аппаратом по визуальному отображению звука Белл вынес твердое убеждение, что «..станет возможной передача различных звуков, если только удастся вызвать колебания интенсивности электрического тока, соответствующие тем колебаниям плотности воздуха, которые производят данный звук». Итак, идея телефона уже есть; остальное — дело техники. Но техника-то как раз и не была готова к реализации идеи Белла. Как же преобразовать колебания воздуха в электрические колебания?

И тут изобретателю, как это часто бывает, помог случай.

Вспомним начало нашего рассказа. В один из июльских дней 1875 г. Белл со своим верным Ватсоном налаживали музыкальный телеграф. У Ватсона, работающего на передающем аппарате, постоянно что-то не ладилось. Белл нервничал, но не мешал своему помощнику. Казалось, что день сложился неудачно. Но судьба подготовила Беллу подарок, вручение которого должно было состояться с минуты на минуту. Однако мистика не годится для объяснения технических явлений, так что давайте присмотримся, что же не ладилось в музыкальном телеграфе.

В этот знаменательный день барахлил именно передающий аппарат. Подвижной якорь (пластина) одного из реле зацепился за контакт и не разрывал цепи. Ватсон тщетно пытался высвободить пластину, которая только слабо дребезжала. Заметьте, дребезжал якорь электромагнита, по обмотке которого в этот момент протекал ток,— ведь контакт заело в замкнутом (!) положении.

Насчет того, что произошло дальше, мнения биографов Александра Белла и маститых историков техники явно разделяются. Одни из них утверждают, что задеваемая Ватсоном пластина резонировала по чисто случайному закону и, наводя в электромагнитах приемника колебания, стала источником также хаотического звука, который и услышал с помощь камертонов чуткий Белл. Другие твердо убеждены, что Ватсон просто громко сказал, что он думает об этом вечно ломающемся аппарате, а прекрасно воспитанный Белл так никогда и не признался, о чем поведали ему при этом чуткие камертоны.

А если говорить серьезно, то только в неисправном аппарате и с тонким слухом опытного в акустике Белла и можно было услышать наводимые колеблющейся пластинкой в электромагните и таким же образом преобразуемые обратно в звук сигналы. На фоне мощных «рабочих» сигналов исправного аппарата услышать эти сигналы шансов не существовало никаких... Впервые в истории электрических средств связи в цепи, соединяющей передающий и приемный аппараты, протекал не прерывистый, а непрерывный ток, меняющийся в зависимости от колебаний пластины передающего реле при постоянно замкнутой цепи источника тока. Якоря приемных реле откликнулись на изменения тока в цепи вибрациями, которые были первым в истории техники звуком, возвестившим новую эру — эру телефона.

Рис. 5. Первая реализация телефонной связи: передающий и приемный телефонные аппараты А. Белла.

Еще не предполагая, что происходит с передающим аппаратом, Белл понял, что нашел наконец, как передавать звук. Ватсон впервые за годы работы с этим в высшей мере интеллигентным и выдержанным человеком услышал, как тот повысил голос. Просто заорал, как говорится на Руси, во всю ивановскую: «Ничего не трогайте, Ватсон!» Прибежав в соседнюю комнату, Белл, не слушая объяснений Ватсона, стал шарить в аппарате. Потом схватил лист бумаги и быстро набросал эскиз... Первый в мире телефон, слепленный на скорую руку Ватсоном, представлял собой мембрану из бараньей кожи, к центру которой крепилась игла, связанная с подвижным якорем электромагнита. Звуковые колебания усиливались рупором 1, концентрируясь на мембране 2, закрепленной в его меньшем сечении (рис. 5).

Источник тока 3 одним полюсом соединялся с землей, другим через обмотку электромагнита 4 — с линией связи 5. Заметьте, цепь в передающей части всегда была замкнута; колебания якоря реле не прерывали цепи, а лишь модулировали (изменяли) величину тока I(t). Помните пророческие слова Белла, произнесенные им за несколько лет до изобретения телефона: «...если только удастся вызвать колебания тока, соответствующие тем колебаниям плотности воздуха, которые производят звук...»? И это удалось именно ему, двадцативосьмилетнему преподавателю школы для глухих детей, почти дилетанту в электротехнике, работавшему со своими приборами только в свободное время. Конечно, скажет кто-то из вас, ведь в ту далекую эпоху на изобретение можно было наткнуться на каждом шагу. Нет, даже тогда для настоящего изобретателя требовались огромная убежденность в правоте своего дела и трудолюбие — качества, которыми в полной мере обладал Александр Белл. А в изобретении телефона решающую роль сыграло и другое его качество — широта кругозора. Профессиональные занятия в области акустики вместе с любительскими в электротехнике, опыт экспериментатора, ну и немного — случай вывели его на результат...

Итак, июль 1875 года. Ватсон изо всех сил кричит в рупор передающего устройства, а довольный Белл, затаив дыхание, вылавливает его слова среди шума и треска в приемном аппарате. Он очень похож на передающий — то же реле 6, подвижный якорь которого с помощью иглы крепится к мембране 7. Только рупор подсоединен к ней другим, широким концом, концентрируя звук, простите за стиль, прямо в ухо абонента. Якорь колеблется вслед за изменениями тока в обмотке электромагнита, вызывая колебания мембраны. Все, как видите, очень просто. Но с изобретения электрического телеграфа до этого триумфа Белла прошло почти семьдесят лет (мы ведем счет с самого первого телеграфа — экзотического аппарата Земмеринга, но ведь и телефон пока был еще весьма далек от практической конструкции).

Заслуженный успех пришел к изобретателю телефона уже через год. Он демонстрировал свой аппарат на Выставке Столетия — Филадельфийской всемирной выставке 1876 г., на которую так стремился другой наш герой; Павел Яблочков, со своей уникальной дуговой лампой. Именно в стенах выставочного павильона впервые прозвучало слово «телефон» — так рекомендовал он жюри свой говорящий телеграф. В этом же павильоне из трубки телефона раздался невероятно искаженный монолог принца датского «Быть или не быть?» в профессиональном исполнении потомственного оратора и удачливого изобретателя Александра Белла...

История телефона только начиналась. Впереди была жестокая борьба с нечистоплотными конкурентами вроде Элишы Грея, многолетнее соревнование с Томасом Эдисоном, не упустившим телефон из сферы своих изобретательских интересов. Была и всемирная слава, венцом которой явилась премия Алессандро Вольта, учрежденная еще Наполеоном. Имя Белла у многих поколений стало синонимом телефона. Но была у великого изобретателя мечта. С юности его увлекала идея аппарата тяжелее воздуха. Жизнь не оставила Беллу времени на реализацию этой идеи, как не оставила его и для другого представителя этой когорты великих ровесников — Александра Лодыгина. Электролет Лодыгина и летательный аппарат Белла никогда не поднялись в воздух: их авторов отвлекли более неотложные дела. Дела, которые внесли их имена в историю техники.