VIII Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся
Старт в науке
Оптический телеграф
Автор работы награжден дипломом победителя III степени
Полная версия работы доступна во вкладке "Файлы работы" в формате PDF
Введение
На протяжении многих веков почта оставалась единственным видом общения между государствами или ее отдельными территориями. Средства связи стали претерпевать заметную эволюцию только в XVII-XVIII вв. Это время знаменовалось в Европе утверждением товарно-денежных отношений, захватом колоний, началом промышленного переворота и бурными политическими событиями (революции в Англии и Франции). Ценность информации в это время заметно возросла, от нее зависели успехи в борьбе с конкурентами, вся система банковских операций, победы или поражения в войнах. Информация стала товаром, который покупался, фальсифицировался, а главное, служил основой для принятия важнейших политических решений. Почтовые сообщения уже не соответствовали требованиям общества. В этих условиях предпринимаются первые попытки ускорить движение информации при помощи технических средств. Этому способствовали также различные научные открытия и технические достижения, которые позволили применять различные системы визуальной передачи сведений. Так появились проекты первых оптические телеграфов. О них и пойдет речь в данной работе.
1. Быстрее всех
С древних времен проблема передачи сообщений быстро и на возможно дальние расстояния была предметом забот многих поколений людей. Чтобы сообщить что-либо соседнему племени, можно было послать гонца. Возможности гонцовой почты весьма ограничены. Как бы ни спешил посланец, невозможно преодолеть естественный предел скорости его пешего или конного передвижения.
Скорость звука гораздо выше скорости человека, даже очень тренированного. Поэтому многие народы использовали для передачи информации звуковые рожки или барабаны. Барабаны продемонстрировал впечатляющую жизнеспособность. Его начали применять в доисторические времена, и по сей день в некоторых западноафриканских племенах не утеряна актуальность барабанов. Звуки разнообразны по тональности и продолжительности, это позволяет передавать сообщения со всевозможным смыслом, а не только сигнализировать об опасности.
Но нет ничего быстрее света! Наиболее популярным способом сообщить что-то значимое в соседние селения были костры. Костры жгли в Древней Греции, на башнях Великой китайской стены, на Руси. В совершенстве владели искусством костра индейцы Северной Америки, которые обучались данному мастерству у колдунов и могли считаться полноправными членами сообщества лишь при обладании нужными знаниями. Дымовой код имел обширные возможности. Придавая клубам дыма определенный цвет и форму, индейцы могли передавать различные сведения – предупредить о военном вторжении, информировать о количестве врагов и месте их расположения, договориться о подмоге. Для варьирования густоты и цвета дыма использовали разное сырье – сухая трава и тонкий хворост создавали полупрозрачную светлую завесу. Для получения темного и густого дыма применяли минералы, мокрую древесину, кости животных, ткань (рис. 1).
Рис. 1.
Однако такие примитивные сигнальные системы были ненадежны и не всегда достигали цели. А с развитием общества потребности в быстрой, надежной и дальней связи все возрастали.
Конец XVIII века, еще нет в мире ни электрического телеграфа, ни телефона, ни радио. Но правители и политики, торговцы и промышленники, военные – все требуют от почты – быстрее! Еще быстрее и дальше!
2. Первые разработки Роберта Гука
Оптический телеграф – система инженерных сооружений для визуальной передачи сообщений посредством семафорной азбуки. Дальность сигнализации определялась прямой видимостью невооруженным глазом сигнальных устройств, а после появления зрительных труб – расстоянием, на котором эти устройства были видны в зрительную трубу. Первые проекты оптических средств сигнализации зародились в Англии и Франции – в странах с наиболее интенсивно развивающейся промышленностью и транспортом. К таким системам относится оптический телеграф английского ученого и естествоиспытателя Роберта Гука, о котором он сообщил в Английском королевском обществе в 1684 г. Оптический телеграф Гука применяли в английском флоте почти до конца XVIII в. На рисунке 2 показан макет оптического телеграфа по системе Роберта Гука, который находился вблизи Санкт-Петербурга в 1811 году.
Рис. 2.
В оптических телеграфах Гука условные знаки передавались не с помощью световых источников и их лучей, посылаемых с одного места в другое, а посредством особых механизмов с некоторыми подвижными частями в виде линеек или кругов, видимых с дальнего расстояния. В основе устройства лежало свойство света отражаться от гладких поверхностей и прямолинейно распространяться в однородной среде.
3. Оптический телеграф Шаппа
Телеграф Гука был не очень удобен в использовании и поэтому не получил широкого применения. Прорыв в области связи сделал механик из Франции Клод Шапп.
Идея такого телеграфа родилась у Шаппа еще в детском возрасте, когда он жил в провинции и обучался в духовной семинарии. Чтобы переговариваться со своими братьями, жившими неподалеку, он соорудил на крыше устройство, состоящее из деревянной, вращающейся на оси перекладины, на концах которой были укреплены две другие планки, также имевшие возможность поворачиваться. Придавая перекладине и планкам различные положения можно было, используя соответствующую азбуку, передавать буквы или слова.
В 1792 году братьями Шапп было представлено устройство под названием семафор (передающий знаки). Он представлял собой шест с подвижными поперечинами, которые управлялись при помощи тросов специальными операторами. Семафоры устанавливались на башни, а в башне должны были сидеть операторы связи (рис. 3).
Рис. 3.
Первая линия таких телеграфов была устроена в 1794 году из Парижа в Лилль, и первое извещение на ней было получено Карно о взятии французами 1 сентября 1794 года города Конде у австрийцев. На протяжении 225 км были устроены 22 станции, то есть башни с шестами и подвижными планками. Для передачи одного знака требовалось при этом 2 мин. Вскоре появились другие линии телеграфа. Важную информацию от Парижа до Бреста можно было доставить за 7 минут!
Три подвижные планки могли принимать 196 положений, каждому из которых соответствовали буква, цифра или слово (рис. 4).
Рис. 4
Спустя два года телеграф завоевал популярность в Европе, началось активное строительство линий связи. Телеграфные башни надо было ставить каждые 15 км, а после усовершенствования приема сигнала – каждые 30 км. Считается, что Наполеон одержал ряд побед благодаря новому изобретению. Передача приказов между крупными городами составляла 10 минут.
Основным недостатком телеграфа Шаппа являлась сильная зависимость от погоды и невозможность работать ночью. Но в отличие от маяков, этот вид связи не потреблял топливо.
Французское изобретение довольно быстро пришлось по душе людям и прижилось во многих странах Европы, Азии и Америки. Первая телеграфная линия открылась в 1778 году. Она соединила города Париж, Страсбург и Брест. Уже в 1795 году начинается строительство сетей оптического телеграфа в Испании и Италии. Обзавелись семафорными линиями и Англия, Швеция, Индия, Египет, Пруссия.
4. Оптический телеграф в России
Российскими исследователями в период царствования Екатерины II также проводились работы над усовершенствованием способов передачи информации. В 1794 году Кулибин Иван Петрович сконструировал свой телеграф. Изобретение конструктивно состояло их трех свободно закрепленных на оси планок из дерева, которые посредствам работы блоков и веревок могли устанавливаться в различные положения друг к другу (рис. 5).
Рис. 5.
Принцип действия этого телеграфа мало чем отличался от аппарата Шаппа, но, в отличие от французского аналога, русским ученым была придумана своя оригинальная система шифрования отдельных слогов, а не слов. Эта машина могла работать в разное время суток и при слабом тумане, на ней были установлены зеркала и фонарь с отражающими зеркалами. Однако, при своем явном потенциале, Российская Академия наук оставила изобретение Кулибина без особого внимания.
Кроме Кулибина, многие другие русские изобретатели предлагали свои проекты «дальноизвещающих машин». В 1815 году землемер Понюхаев изобрел «ночной скорый дальнописец или телеграф о семи фонарях». Телеграф Понюхаева состоял из семи фонарей, снабженных вогнутыми зеркалами, шесть из которых были расположены по кругу, а один в центре (рис. 6). Из пункта управления посредством особых тяг каждый фонарь мог закрываться подвижным щитком. Каждой букве соответствовала определенная комбинация открытых фонарей. Для увеличения дальности действия прием сигналов предполагалось производить через телескоп. По сути, изобретение Понюхаева можно считать прообразом гелиографов. Понюхаев считал, что его телеграф можно сделать «железным складным, возимым по дорогам», что обеспечит ему успешное применение «...на походе армий, при занятии мест и высот, с которых можно подавать сведения о движении неприятеля». Военно-ученый комитет рассмотрел предложение Понюхаева, но вместо практического использования сдал его в архив канцелярии военного министерства. Много работал над созданием семафорного телеграфа и использованием его в морском флоте русский военный моряк Бутаков. Однако, несмотря на удачное применение его телеграфа в ряде частных случаев, широкого распространения его система также не получила.
Рис. 6.
Проблема заключалась не в косности русской правящей элиты и чиновников, но в том, что в конце XVIII – XIX вв. русское общество еще не нуждалось в скоростных методах передачи информации. В условиях феодальной модернизации государственные и военные потребности в информационном обеспечении удовлетворялись вполне традиционными методами – почтой и фельдсвязью.
Тем не менее, в 1824 году в России появилась первая линия оптического телеграфа, соединившая Санкт-Петербург и Шлиссербург по системе генерал-майора Козена. Ее длина составляла 60 км и основным назначением телеграфа было – передача информации о движении судов на Ладожском озере. Прослужила эта телеграфная линия до 1836 года.
При императоре Николае I был создан Комитет, задачей которого было рассмотрение проектов оптического телеграфа для применения к строительству в России. Из всех предложенных проектов, наиболее целесообразным был избран проект французского инженера Жака Шато. Конструкция его телеграфа была намного проще, чем у Шаппа: для визуальной передачи использовалась всего одна «семафорная штанга», напоминавшая Т-образную стрелку, на трех концах которой в темное время суток зажигались фонари. «Стрелка» (рис. 6) могла вращаться и принимать восемь различных фиксированных положений (рис. 7). В их сочетаниях закодированы отдельные буквы, цыфры и целые фразы. Шато разработал не только конструкцию самого телеграфа, но и словарь кодов для составителей посланий, Устав телеграфическим сигналистам, Положение о Кронштадской телеграфической линии.
В 1833 году Шато построил линию оптического телеграфа Зимний дворец – Стрельна – Ораниенбаум – Кронштадт. Она очень хорошо себя зарекомендовала, что послужило поводом для строительства телеграфных линий системы Шато по другим направлениям. В 1835 году построена линия Зимний дворец – Царское село – Гатчина.
Рис. 6.
Рис. 7.
2 марта 1835 года был «высочайше утвержден» проект «Телеграфического обсервационного домика, предполагаемого к устройству на Зимнем дворце…». На акварели В.С. Садовникова (рис. 8) выделяется шестигранная башенка, в которой размещался оптический телеграф, на картинке хорошо видны «стрелки» семафорного телеграфа.
Рис. 8
А на рис. 9 современный вид Зимнего дворца с сохранившейся шестигранной башенкой.
Рис. 9.
Самая длинная в мире линия оптического телеграфа Зимний дворец – Варшава строилась в 1835–1839 года и была открыта 20 декабря 1839 года. Протяженность линии составляла 1200 км, ее обслуживали 1904 человека. Линия состояли из 149 башен, построенных по «высочайше утвержденному» образцу. Высота каждой башни была 21,5 метра, над ней возвышался трехметровый железный шест со «стрелкой». На рисунке 10 изображена одна из таких башен, расположенная в Александрии. В каждой башне было налажено круглосуточное дежурство четырех телеграфистов, заступавших на вахту в порядке строгой очередности. На рисунке 11 изображена типичное помещение телеграфистов.
Рис. 10
Один телеграфист должен увидеть сигнал с соседней башни и передать его напарнику, а тот, в свою очередь, должен повторить передаваемый сигнал, давая понять, что сигнал принят и понят верно. В специальном журнале «сигналист» записывал все принимаемые и передаваемые дальше сигналы с указанием времени передачи и своей фамилии. При этом фиксировались только многочисленные положения семафорной штанги в виде рисунков. Содержание послания «сигналисты» не знали. Для подготовки телеграфистов, обслуживающих линии оптического телеграфа, в 1840 году открыли «постоянную сигнальную школу». Время прохождения информации из Санкт-Петербурга в Варшаву составляло 15 минут. С 1854 года, с введения электрического телеграфирования, самая длинная линия оптического телеграфа и другие линии прекратили свое существование.
Рис. 11
Оптические телеграфы сыграли большую роль в развитии отечественной телеграфии. Был накоплен бесценный опыт по эксплуатации протяженных линий для скоростных передач шифрованной и открытой информации. Открыта первая школа сигналистов, которая позже была реорганизована в телеграфную школу. На станциях оптических телеграфов готовились первые кадры работников нового вида скоростной связи. Не случайно, на станциях электромагнитных телеграфов, тех специалистов, которые работали на аппаратах Морзе, долгое время именовали не телеграфистами, а старшими и младшими сигналистами. Термин телеграфист утверждается в отечественной электросвязи только в 1870 гг.
Заключение
Оптический телеграф Шаппа существовал в Европе примерно до 40-х годов XIX столетия. Им пользовались и появившиеся в 30-х годах первые железные дороги. Да и нынешние семафоры являются упрощенной разновидностью того же оптического телеграфа Шаппа. В первой четверти XIX века линии семафорного телеграфа имелись во многих европейских странах, а также в Америке, Алжире, Египте и в Индии. В европейских армиях усовершенствованные системы оптического телеграфа (гелиографы) применялись вплоть до начала прошлого столетия. В СССР они широко использовались на вооружении войск связи значительно дольше – до конца 1930 гг.
Уже к середине XIX века получают развитие системы электрических телеграфных сетей. В связи с этим, оптический телеграф потерял свою актуальность. Но, хотя лидирующее место в мировой системе связи было занято другими, он нашел себе неожиданное применение. Оптический семафор на флоте и сейчас является одним из самых распространенных видов связи. Используется до сих пор железнодорожный семафор со своей собственной системой знаков световых сигналов. И, конечно же, вспомним о светофорах на автомобильных дорогах, работу которых наблюдаем каждый день.
Список источников
https://www.nkj.ru/archive/articles/14494/
https://www.proza.ru/2012/01/15/746
«Наука и жизнь» № 1, 1995 г.
http://nplit.ru/books/item/f00/s00/z0000072/st056.shtml