Технологии , повышающие производительность, — это технологические инновации, которые исторически повышали производительность .
Производительность часто измеряется как отношение (совокупного) выпуска к (совокупным) затратам на производство товаров и услуг. [1] Производительность увеличивается за счет снижения количества труда, капитала , энергии или материалов, которые идут на производство любого заданного количества экономических товаров и услуг. Рост производительности во многом ответственен за повышение уровня жизни на душу населения .
Технологии повышения производительности возникли еще в древности и развивались довольно медленно до позднего средневековья. Важные примеры ранней и средневековой европейской технологии включают водяное колесо , конский хомут , прялку, трехпольную систему (после 1500 года четырехпольную систему — см. севооборот ) и доменную печь . [2]
Технологическому прогрессу способствовала грамотность и распространение знаний, которое ускорилось после того, как прялка распространилась на Западную Европу в 13 веке. Прялка увеличила поставки тряпья, используемого в качестве целлюлозы при производстве бумаги , технология которой достигла Сицилии где-то в 12 веке. Дешевая бумага стала фактором развития печатного станка с подвижным шрифтом , что привело к значительному увеличению количества публикуемых книг и названий. [3] [4] В конечном итоге начали появляться книги по науке и технике, такие как техническое руководство по горному делу De Re Metallica , которое было самой важной книгой по технологиям 16 века и стандартным учебником по химии в течение следующих 180 лет. [5]
Фрэнсис Бэкон (1561–1626) известен научным методом , который стал ключевым фактором научной революции . Бэкон заявил, что технологиями, которые отличали Европу его времени от средневековья, были бумага и книгопечатание, порох и магнитный компас, известные как четыре великих изобретения , зародившиеся в Китае. [6] [ нужна страница ] Другие китайские изобретения включали конский хомут, чугун, улучшенный плуг и сеялку.
Технологии добычи и переработки металлов сыграли ключевую роль в техническом прогрессе. Большая часть нашего понимания фундаментальной химии возникла в результате выплавки и переработки руды, при этом De re Metallica является ведущим учебником по химии. [5] Железные дороги произошли от шахтных тележек , а первые паровые машины были разработаны специально для откачки воды из шахт. Значение доменной печи выходит далеко за рамки ее возможностей для крупномасштабного производства чугуна. Доменная печь явилась первым примером непрерывного производства и представляет собой противоточный обменный процесс, различные виды которого используются и сегодня в химической и нефтеперерабатывающей промышленности. Горячий дутье , позволяющее перерабатывать то, что в противном случае было бы отработанным теплом, было одной из ключевых технологий инженерного дела. Это имело немедленный эффект в виде резкого сокращения энергии, необходимой для производства чугуна, но повторное использование тепла в конечном итоге стало применяться в различных отраслях промышленности, особенно в паровых котлах, химической, нефтеперерабатывающей и целлюлозно-бумажной промышленности.
До 17 века научные знания, как правило, оставались в пределах интеллектуального сообщества, но к этому времени они стали доступны публике в так называемой «открытой науке». [7] Ближе к началу промышленной революции появилась публикация «Энциклопедии » , написанной многочисленными авторами и под редакцией Дени Дидро и Жана ле Рона д'Аламбера (1751–72). Она содержала множество статей по науке и была первой общей энциклопедией, в которой подробно освещались механические искусства, но гораздо больше она известна благодаря изложению мыслей Просвещения .
Историки экономики в целом согласны с тем, что, за некоторыми исключениями, такими как паровой двигатель , не существует сильной связи между научной революцией 17-го века (Декарт, Ньютон и т. д.) и промышленной революцией. [7] Однако важным механизмом передачи технических знаний были научные общества, такие как Лондонское королевское общество по улучшению естественных знаний, более известное как Королевское общество , и Академия наук. Существовали также технические колледжи, такие как Политехническая школа . Шотландия была первым местом, где преподавали науку (в 18 веке), здесь Джозеф Блэк открыл теплоемкость и скрытую теплоту , а его друг Джеймс Уатт использовал знания о тепле, чтобы разработать отдельный конденсатор как средство повышения эффективности паровой двигатель. [8]
Вероятно, первый период в истории, когда экономический прогресс можно было наблюдать после одного поколения, был во время Британской сельскохозяйственной революции в 18 веке. [9] Однако технологический и экономический прогресс не наблюдался значительными темпами до английской промышленной революции в конце 18 века, и даже тогда производительность росла примерно на 0,5% в год. Высокий рост производительности начался в конце 19-го века, во время так называемой Второй промышленной революции . Большинство крупных инноваций Второй промышленной революции были основаны на современном научном понимании химии , теории электромагнетизма , термодинамики и других принципах, известных инженерам.
До промышленной революции единственными источниками энергии были вода, ветер и мускулы. Большинство хороших гидроэнергетических объектов (не требующих огромных современных плотин) в Европе были построены в средневековый период. В 1750-х годах Джон Смитон , «отец гражданского строительства», значительно улучшил эффективность водяного колеса, применив научные принципы, тем самым добавив столь необходимую мощность для промышленной революции. [10] Однако водяные колеса оставались дорогостоящими, относительно неэффективными и плохо подходили для очень больших энергетических плотин. Высокоэффективная турбина Бенуа Фурнейрона , разработанная в конце 1820-х годов, в конечном итоге заменила водяные колеса. Турбины типа Fourneyron могут работать с КПД 95% и используются в современных крупных гидроэнергетических установках. Гидроэнергетика продолжала оставаться ведущим источником промышленной энергии в Соединенных Штатах до середины 19 века из-за большого количества объектов, но паровая энергия обогнала гидроэнергетику в Великобритании десятилетиями ранее. [11]
В 1711 году была установлена паровая машина Ньюкомена для откачки воды из шахты. Эту работу обычно выполняли большие упряжки лошадей, из которых на некоторых шахтах использовалось до 500 лошадей. Животные преобразуют корм в работу с эффективностью около 5%. но хотя это было намного больше, чем КПД раннего двигателя Ньюкомена, составлявший менее 1%, на угольных шахтах имелся уголь низкого качества с небольшой рыночной стоимостью. Энергия ископаемого топлива впервые превысила всю энергию животных и воды в 1870 году. Роль энергии и машин, заменяющих физическую работу, обсуждается в Ayres-Warr (2004, 2009). [12] [13]
Хотя в некоторых районах использовались пароходы, еще в конце 19 века тысячи рабочих тянули баржи . До конца 19 века большую часть угля и других полезных ископаемых добывали кирками и лопатами, а урожай и молоть зерно собирали с помощью животных или вручную. Тяжелые грузы, такие как тюки хлопка весом 382 фунта, перевозились на ручных тележках до начала 20 века.
Раскопки велись лопатами до конца 19 века, когда в употребление вошли паровые лопаты. Сообщалось, что в 1860 году рабочий на западном участке канала Эри должен был выкапывать 5 кубических ярдов в день; однако к 1890 году ожидалось только 3,5 ярда в день. [16] Сегодняшние большие электрические экскаваторы оснащены ковшами, которые вмещают 168 кубических метров (220 кубических ярдов) и потребляют электроэнергию города с населением 100 000 человек. [17]
Динамит , безопасная в обращении смесь нитроглицерина и диатомита , был запатентован в 1867 году Альфредом Нобелем . Динамит увеличил производительность горнодобывающей промышленности, строительства туннелей, строительства дорог, строительства и сноса и сделал возможными такие проекты, как Панамский канал.
Паровая энергия была применена к молотилкам в конце 19 века. Существовали паровые машины, которые передвигались на колесах своим ходом и использовались для временного снабжения энергией стационарного сельскохозяйственного оборудования, такого как молотилки. Их называли дорожными двигателями, и Генри Форд, увидев один из них в детстве, вдохновился построить автомобиль. [18] Паровые тракторы использовались, но так и не стали популярными.
С двигателем внутреннего сгорания появились первые серийные тракторы ( Фордсон , около 1917 г.). Тракторы заменили лошадей и мулов для буксировки жаток и комбайнов, но в 1930-х годах были разработаны самоходные комбайны. Производительность на человеко-час при выращивании пшеницы выросла примерно в 10 раз с конца Второй мировой войны до примерно 1985 года, в основном из-за применения механизированной техники, но также и из-за увеличения урожайности сельскохозяйственных культур. [19] Рабочая сила кукурузы продемонстрировала аналогичный, но более высокий рост производительности. См. ниже: Механизированное сельское хозяйство .
Один из величайших периодов роста производительности совпал с электрификацией заводов, которая произошла между 1900 и 1930 годами в США [12] [20] См.: Массовое производство: Электрификация фабрик .
В истории техники и экономики наиболее важными видами энергоэффективности были преобразование тепла в работу, повторное использование тепла и уменьшение трения. [21] Также произошло резкое сокращение энергии, необходимой для передачи электронных сигналов, как голоса, так и данных.
Ранний паровой двигатель Ньюкомена имел КПД около 0,5% и был улучшен Джоном Смитоном до чуть более 1% до усовершенствований Уотта , которые увеличили тепловой КПД до 2%. В 1900 году на киловатт-час требовалось 7 фунтов угля.
Производство электроэнергии было сектором с самым высоким ростом производительности в США в начале двадцатого века. На рубеже веков большие центральные станции с котлами высокого давления и эффективными паровыми турбинами заменили поршневые паровые двигатели, и к 1960 году для этого требовалось 0,9 фунта угля на кВт-ч. С учетом улучшений в горнодобывающей промышленности и транспортировке общее улучшение составило более чем 10 раз. [22] Сегодняшние паровые турбины имеют КПД в диапазоне 40%. [13] [23] [24] [25] Большая часть электроэнергии сегодня производится на тепловых электростанциях с использованием паровых турбин.
Двигатели Ньюкомена и Ватта работали при давлении, близком к атмосферному, и для выполнения работы использовали атмосферное давление в виде вакуума, создаваемого конденсирующимся паром. Двигатели более высокого давления были достаточно легкими и достаточно эффективными, чтобы их можно было использовать для привода кораблей и локомотивов. Двигатели многократного расширения (многоступенчатые) были разработаны в 1870-х годах и впервые оказались достаточно эффективными, чтобы позволить судам перевозить больше грузов, чем угля, что привело к значительному увеличению международной торговли. [26]
Первым крупным дизельным судном был MS Selandia , спущенный на воду в 1912 году. К 1950 году треть торгового судоходства была дизельной. [27] Сегодня наиболее эффективным первичным двигателем является двухтактный морской дизельный двигатель, разработанный в 1920-х годах, мощность которого сейчас достигает более 100 000 лошадиных сил с тепловым КПД 50%. [28]
Паровозы, которые использовали до 20% добычи угля в США, были заменены тепловозами после Второй мировой войны, что позволило сэкономить много энергии и сократить рабочую силу для транспортировки угля, котельной воды и механического обслуживания.
Повышение эффективности паровых двигателей привело к значительному увеличению количества паровых машин и количества используемого угля, как отметил Уильям Стэнли Джевонс в «Угольном вопросе» . Это называется парадоксом Джевонса .
Потребление электроэнергии и экономический рост тесно взаимосвязаны. [29] Потребление электроэнергии на душу населения почти идеально коррелирует с экономическим развитием. [30] Электрификация была первой технологией, позволившей передавать электроэнергию на большие расстояния с минимальными потерями мощности . [20] Электродвигатели покончили с линейными валами для распределения мощности и резко увеличили производительность заводов. Очень крупные центральные электростанции создавали эффект масштаба и были гораздо более эффективными в производстве электроэнергии, чем поршневые паровые двигатели. [12] [29] [20] [25] [31] Электродвигатели значительно снизили капитальные затраты на электроэнергию по сравнению с паровыми двигателями. [25]
Основными формами доэлектрической передачи энергии были линейные валы , гидравлические силовые сети , а также пневматические и тросовые системы. Линейные валы были распространенной формой передачи энергии на заводах, начиная с первых промышленных паровых двигателей и заканчивая электрификацией заводов. Линейные валы ограничивали заводскую компоновку и имели большие потери мощности. [20] Гидравлическая энергия вошла в употребление в середине 19 века. Он широко использовался в бессемеровском процессе и для кранов в портах, особенно в Великобритании. В Лондоне и некоторых других городах были гидравлические системы, которые обеспечивали водой под давлением промышленные предприятия на обширной территории. [20]
Пневматическая энергия начала использоваться в промышленности, а также в горнодобывающей промышленности и прокладке туннелей в последней четверти XIX века. Обычное применение включало перфораторы и отбойные молотки. [20] Тросы, поддерживаемые большими рифлеными колесами, могли передавать мощность с небольшими потерями на расстояние в несколько миль или километров. Тросовые системы появились незадолго до электрификации. [20]
Рекуперация тепла для промышленных процессов впервые широко использовалась в виде горячего дутья в доменных печах для производства чугуна в 1828 году. Позднее повторное использование тепла включало процесс Сименса-Мартина, который сначала использовался для производства стекла, а затем для производства стали в мартеновской печи . (См. «Железо и сталь» ниже). Сегодня тепло повторно используется во многих основных отраслях промышленности, таких как химическая, нефтеперерабатывающая, целлюлозно-бумажная, с использованием различных методов, таких как теплообменники во многих процессах. [32] Многокорпусные испарители используют пар от воздействия высокой температуры для испарения кипящей жидкости с более низкой температурой. При рекуперации химикатов для крафт-целлюлозы отработанный черный щелок можно выпаривать пять или шесть раз, повторно используя пары одного этапа для кипячения щелока на предыдущем этапе. Когенерация — это процесс, в котором пар высокого давления используется для выработки электроэнергии, а затем полученный пар низкого давления используется для технологического тепла или тепла в здании.
Промышленный процесс претерпел многочисленные незначительные улучшения, которые в совокупности привели к значительному снижению энергопотребления на единицу продукции.
Снижение трения было одной из основных причин успеха железных дорог по сравнению с вагонами. Это было продемонстрировано на деревянном трамвае, покрытом железной пластиной, в 1805 году в Кройдоне, Великобритания.
«Хорошая лошадь на обычной магистрали может тянуть две тысячи фунтов или одну тонну. Группа джентльменов была приглашена стать свидетелями эксперимента, чтобы путем визуальной демонстрации можно было установить превосходство новой дороги. Двенадцать повозок были загружены камнями, так что каждая повозка весила три тонны, и повозки были скреплены вместе. Затем была прикреплена лошадь, которая с легкостью протащила повозки шесть миль за два часа, остановившись четыре раза, чтобы показать, что она способна тронуться с места, а также тащить свой огромный груз». [33]
Улучшенная смазка, например, нефтяными маслами, снизила потери на трение на мельницах и фабриках. [34] Антифрикционные подшипники были разработаны с использованием легированных сталей и методов точной механической обработки, доступных в последней четверти XIX века. Антифрикционные подшипники широко использовались на велосипедах к 1880-м годам. Подшипники начали использоваться на линейных валах за десятилетия до электрификации заводов, и именно валы с предварительными подшипниками были в значительной степени ответственны за высокие потери мощности, которые обычно составляли от 25 до 30%, а часто и до 50%. [20]
Электрическое освещение было гораздо более эффективным, чем масляное или газовое освещение, и не выделяло дыма, дыма и тепла. Электрический свет продлил рабочий день, сделав фабрики, предприятия и дома более продуктивными. Электрический свет не представлял такой большой пожароопасности, как масляный и газовый свет. [35]
Эффективность электрического освещения постоянно улучшалась от первых ламп накаливания до ламп накаливания. [36] Люминесцентные лампы , ставшие коммерческими в конце 1930-х годов, гораздо более эффективны, чем лампы накаливания. Светодиоды или светодиоды очень эффективны и долговечны. [37]
Относительная энергия, необходимая для перевозки тонно-километра для различных видов транспорта, составляет: трубопровод = 1 (базис), вода 2, железная дорога 3, дорога 10, воздух 100. [38]
Неулучшенные дороги были чрезвычайно медленными, дорогими для транспорта и опасными. [39] В 18 веке слоистый гравий начал все чаще использоваться, а трехслойный щебень стал использоваться в начале 19 века. Эти дороги были увенчаны для отвода воды и имели по бокам дренажные канавы. [39] Верхний слой камней в конечном итоге измельчился и несколько сгладил поверхность. Нижние слои состояли из мелких камней, обеспечивающих хороший дренаж. [39] Важно отметить, что они оказывали меньшее сопротивление колесам телеги, а копыта и ступни лошадей не тонули в грязи. Дощатые дороги также начали использоваться в США в 1810–1820-х годах. Улучшение дорог было дорогостоящим, и хотя они сократили стоимость наземного транспорта вдвое или более, вскоре они были вытеснены железными дорогами в качестве основной транспортной инфраструктуры. [39]
Парусные суда могли перевозить грузы на расстояние более 3000 миль за стоимость 30 миль в повозке. [40] Лошадь, которая могла тянуть однотонную повозку, могла тянуть и 30-тонную баржу. Во время английской или Первой промышленной революции поставка угля в печи в Манчестере была затруднена из-за небольшого количества дорог и высокой стоимости использования вагонов. Однако было известно, что баржи по каналу работоспособны, и это было продемонстрировано строительством канала Бриджуотер , который открылся в 1761 году и по которому уголь доставлялся из Уорсли в Манчестер. Успех канала Бриджуотер положил начало безумному строительству каналов, которое продолжалось до появления железных дорог в 1830-х годах. [38] [39]
Железные дороги значительно снизили стоимость наземных перевозок. Подсчитано, что к 1890 году стоимость перевозки вагонов составляла 24,5 цента США за тонну-милю по сравнению с 0,875 цента за тонну-милю по железной дороге, что означает снижение на 96%. [41]
Электрические уличные железные дороги ( трамваи , троллейбусы или трамваи) находились на заключительной стадии строительства железных дорог с конца 1890-х годов и первых двух десятилетий 20-го века. После 1920 года уличные железные дороги были вытеснены автобусами и автомобилями.
Автомобильные дороги с двигателями внутреннего сгорания завершили механизацию наземного транспорта. Когда появились грузовики c. В 1920 г. значительно снизились цены на транспортировку сельскохозяйственных товаров на рынок или на железнодорожные станции. Автомобильный автомобильный транспорт также сократил запасы.
Высокий рост производительности труда в США в 1930-е годы во многом был обусловлен программой строительства шоссе того десятилетия. [43]
Трубопроводы являются наиболее энергоэффективным видом транспорта. [38] Железные и стальные трубопроводы начали использоваться во второй половине 19-го века, но стали основной инфраструктурой только в 20-м веке. [39] [44] Центробежные насосы и центробежные компрессоры являются эффективными средствами перекачки жидкостей и природного газа.
Сеялка представляет собой механическое устройство для распределения и посева семян на нужную глубину. Он зародился в древнем Китае еще в I веке до нашей эры. Экономия семян была чрезвычайно важна в то время, когда урожайность измерялась количеством собранных семян на одно посаженное семя, которое обычно составляло от 3 до 5. Сеялка также экономила трудозатраты на посадку. Самое главное, что сеялка позволяла выращивать культуры рядами, что уменьшало конкуренцию растений и повышало урожайность. Он был заново изобретен в Европе 16 века на основе словесных описаний и грубых рисунков, привезенных из Китая. [6] Джетро Талл запатентовал версию в 1700 году; однако это было дорого и ненадежно. Надежные сеялки появились в середине 19 века. [45]
С самого начала земледелия обмолот производился вручную цепом , что требовало большого труда. Молотилка (ок . 1794 г.) упростила работу и позволила использовать силу животных. К 1860-м годам молотилки были широко распространены и в конечном итоге вытеснили четверть сельскохозяйственной рабочей силы. [46] В Европе многие уволенные рабочие оказались на грани голодной смерти.
До ц. В 1790 году рабочий мог собирать косой 1/4 акра в день . [26] В начале 1800-х годов была введена колыбель для зерна , что значительно увеличило производительность ручного труда. Было подсчитано, что каждый из жнецов Сайруса Маккормика, запряженных лошадьми (Ptd. 1834), освободил пять человек для военной службы во время Гражданской войны в США. [47] К 1890 году два человека и две лошади могли косить, сгребать и связывать 20 акров пшеницы в день. [26] В 1880-х годах жатка и молотилка были объединены в комбайн . Для перевозки этих машин требовались большие упряжки лошадей или мулов. За весь XIX век производительность труда человека в час производства пшеницы выросла примерно на 500%, а кукурузы — примерно на 250%. [19]
Сельскохозяйственная техника и более высокая урожайность сократили трудозатраты на производство 100 бушелей кукурузы с 35–40 часов в 1900 году до 2 часов 45 минут в 1999 году. [48] Переход механизации сельского хозяйства на энергию внутреннего сгорания начался после 1915 года. Началось поголовье лошадей. снизиться в 1920-е годы после перевода сельского хозяйства и транспорта на системы внутреннего сгорания. [49] Помимо экономии рабочей силы, это высвободило много земли, ранее использовавшейся для содержания тяглового скота.
Пик продаж тракторов в США пришелся на 1950-е годы. [49] В 1950-х годах произошел большой всплеск мощности сельскохозяйственной техники.
Важнейшими механическими устройствами до промышленной революции были водяные и ветряные мельницы. Водяные колеса датируются римскими временами, а ветряные мельницы — несколько позже. Энергия воды и ветра сначала использовалась для измельчения зерна в муку, но позже была адаптирована к электрическим молоткам для измельчения тряпья в целлюлозу для изготовления бумаги и для дробления руды. Незадолго до промышленной революции в Европе в сильфонах для выплавки железа применялась энергия воды. (В древнем Китае использовались сильфоны с водяным приводом.) Энергия ветра и воды также использовалась на лесопилках. [38] Технология строительства мельниц и механических часов сыграла важную роль в развитии машин промышленной революции. [50]
Прялка была средневековым изобретением , которое увеличило производительность изготовления нити более чем в десять раз. Одним из ранних разработок, предшествовавших промышленной революции, была чулочная рама (ткацкий станок) ок. 1589. Позже, во время промышленной революции, появился летающий челнок — простое устройство, которое удвоило производительность ткачества. Прядение ниток было ограничивающим фактором в производстве тканей, требующим 10 прядильщиков, использующих прялку, для снабжения одного ткача. С помощью прядильной машины «Дженни» прядильщик мог прясть восемь нитей одновременно. Водяная рама (Ptd. 1768) приспособила силу воды для прядения, но могла вращать только одну нить за раз. Водяной каркас был прост в эксплуатации, и многие из них можно было разместить в одном здании. Прядильный мул (1779 г.) позволял прясть большое количество нитей на одной машине с использованием энергии воды. Изменение предпочтений потребителей в отношении хлопка во время увеличения производства тканей привело к изобретению хлопкоочистительной машины (Ptd. 1794). Паровая энергия в конечном итоге использовалась в качестве дополнения к воде во время промышленной революции, и оба использовались до электрификации. График производительности прядильных технологий можно найти у Эйреса (1989), а также многих других данных, относящихся к этой статье. [51]
С помощью хлопкоочистительной машины (1792 г.) мужчина мог за один день удалить семена из такого количества горного хлопка, как раньше потребовалось бы женщине, работавшей два месяца, чтобы переработать один фунт в день с помощью роликового джина. [52] [53]
Ранним примером значительного увеличения производительности машин специального назначения является c. 1803 г. Портсмутский завод по производству блоков . С помощью этих машин 10 человек могли изготовить столько же блоков, сколько 110 квалифицированных мастеров. [38]
В 1830-х годах сочетание нескольких технологий позволило осуществить важный сдвиг в деревянном строительстве. Циркулярная пила (1777 г.), станки для резки гвоздей (1794 г.) и паровая машина позволили эффективно изготавливать тонкие куски пиломатериалов, такие как 2 x 4 дюйма, а затем скреплять их вместе в так называемом воздушном каркасе (1832 г.). Это было началом упадка древнего метода деревянного каркасного строительства с деревянными столярными изделиями. [54]
Следом за механизацией в текстильной промышленности последовала механизация обувной промышленности. [55]
Швейная машина , изобретенная и усовершенствованная в начале 19 века и произведенная в больших количествах к 1870-м годам, увеличила производительность более чем на 500%. [56] Швейная машина была важным инструментом повышения производительности в механизированном производстве обуви.
Благодаря широкой доступности станков, улучшенных паровых двигателей и недорогому транспорту, обеспечиваемому железными дорогами, машиностроительная промышленность стала крупнейшим сектором (по добавленной прибыли) экономики США к последней четверти XIX века, что привело к индустриальной экономике. [57]
Первая коммерчески успешная машина для выдува стеклянных бутылок была представлена в 1905 году . и мальчики, работающие в магазине целый день. Стоимость изготовления бутылок на машине составляла от 10 до 12 центов за брутто по сравнению с 1,80 доллара за брутто у стеклодувов и помощников вручную.
Станки , которые режут, шлифуют и придают форму металлическим деталям, были еще одной важной механической инновацией промышленной революции. До появления станков изготовление прецизионных деталей было непомерно дорогим, что было обязательным требованием для многих машин и взаимозаменяемых деталей . Исторически важными станками являются токарно-винторезный станок , фрезерный станок и строгальный станок (металлообработка) , которые вошли в употребление между 1800 и 1840 годами. [52] Однако около 1900 года это была комбинация небольших электродвигателей, специальных сталей и новые режущие и шлифовальные материалы, которые позволили станкам массово производить стальные детали. [17] Производство Ford Model T потребовало 32 000 станков. [47]
Современное производство началось примерно в 1900 году, когда машины с использованием электрической, гидравлической и пневматической энергии начали заменять ручные методы в промышленности. [59] Одним из первых примеров является автоматическая машина для выдувания стеклянных бутылок Owens , которая сократила трудозатраты при изготовлении бутылок более чем на 80%. [60] См. также: Массовое производство#Электрификация завода.
Большие горнодобывающие машины, такие как паровые экскаваторы, появились в середине девятнадцатого века, но их использование ограничивалось рельсами до тех пор, пока в конце 19 - начале 20 веков не было повсеместно внедрено непрерывное движение гусениц и пневматические шины. До этого большая часть горных работ в основном выполнялась с помощью пневматических буров, отбойных молотков, кирок и лопат. [61]
Машины для подрезки угольных пластов появились примерно в 1890 году и к 1934 году использовались для 75% добычи угля. Примерно в 1930 году погрузка угля все еще производилась вручную с помощью лопат, но начали использоваться механические подъемно-погрузочные машины. [59] Использование бурильной машины повысило производительность подземной добычи угля в три раза в период с 1949 по 1969 год. [62]
В настоящее время происходит переход от более трудоемких методов добычи полезных ископаемых к большей механизации и даже автоматизации добычи полезных ископаемых . [63]
В системах транспортировки сухих сыпучих материалов используется различное стационарное оборудование, такое как конвейеры, штабелеры, реклаймеры и мобильное оборудование, такое как экскаваторы и погрузчики, для обработки больших объемов руды, угля, зерна, песка, гравия, щебня и т. д. Перегрузка сыпучих материалов системы используются на шахтах, для погрузки и разгрузки судов, а также на заводах, перерабатывающих сыпучие материалы в готовую продукцию, например, на сталелитейных и бумажных фабриках.
Механические топки для подачи угля в локомотивы использовались в 1920-х годах. Полностью механизированная и автоматизированная система подачи и загрузки угля была впервые использована для подачи пылевидного угля в электрический котел в 1921 году. [59]
Жидкости и газы перекачиваются центробежными насосами и компрессорами соответственно.
Переход на механизированную погрузочно-разгрузочную работу увеличился во время Первой мировой войны, поскольку возникла нехватка неквалифицированной рабочей силы, а заработная плата неквалифицированной рабочей силы выросла по сравнению с квалифицированной рабочей силой. [59]
Примечательным примером использования конвейеров стала автоматическая мельница Оливера Эванса, построенная в 1785 году .
Около 1900 года для перемещения материалов и товаров на различных стадиях производства на заводах стали использоваться различные типы конвейеров ( ленточные , пластинчатые, ковшовые, винтовые или шнековые), мостовые краны и промышленные тележки. См.: Виды конвейерных систем . и массовое производство .
Хорошо известным применением конвейеров является компания Ford. Сборочная линия Motor Co. (ок. 1913 г.), хотя Форд использовал различные промышленные грузовики, мостовые краны, направляющие и любые другие устройства, необходимые для минимизации труда при перемещении деталей в различных частях завода. [47]
Краны — это древняя технология, но широкое распространение они получили после промышленной революции. Промышленные краны использовались для перемещения тяжелой техники на предприятии Nasmyth, Gaskell and Company (литейный завод в Бриджуотере) в конце 1830-х годов. [64] Краны с гидравлическим приводом стали широко использоваться в конце 19 века, особенно в британских портах. В некоторых городах, таких как Лондон, были подключены коммунальные гидравлические сети. Паровые краны также использовались в конце 19 века. Электрические краны, особенно мостового типа, появились на заводах в конце XIX века. [35] Паровые краны обычно ограничивались рельсами. [65] Непрерывная гусеница (гусеничный протектор) была разработана в конце 19 века.
Важными категориями кранов являются:
В начале 20 века использовались электрические краны и моторизованные мобильные погрузчики, такие как вилочные погрузчики. Сегодня негабаритные грузы перевозятся в контейнерах .
Перемещение товаров на поддонах было значительным улучшением по сравнению с использованием ручных тележек или переноской мешков или коробок вручную и значительно ускорило погрузку и разгрузку грузовиков, железнодорожных вагонов и кораблей. Перемещать поддоны можно с помощью домкратов или вилочных погрузчиков , которые начали использоваться в промышленности в 1930-х годах и получили широкое распространение к 1950-м годам. [66] Погрузочные доки , построенные в соответствии с архитектурными стандартами, позволяют грузовикам или железнодорожным вагонам загружать и разгружаться на той же высоте, что и пол склада.
Контейнерная перевозка — это перевозка прицепов или целых грузовиков на железнодорожных вагонах, что является более экономичным способом перевозки и экономит трудозатраты на погрузку, разгрузку и сортировку. В XIX веке вагоны перевозили на железнодорожных вагонах, а лошади находились в отдельных вагонах. Прицепы начали перевозить на железнодорожных вагонах в США в 1956 году .
Погрузка или разгрузка сыпучих грузов на корабли и обратно обычно занимала несколько дней. Это была напряженная и несколько опасная работа. Потери от порчи и кражи были высокими. Работа была нестабильной, и у большинства грузчиков было много неоплачиваемого простоя. Сортировка и учет сыпучих грузов также отнимали много времени, а их хранение на складах требовало капиталовложений. [66]
Порты старого типа со складами были перегружены, и во многих из них не было эффективной транспортной инфраструктуры, что приводило к увеличению затрат и задержкам в порту. [66]
При обработке грузов в стандартных контейнерах на отсеках судов погрузка или разгрузка обычно может быть осуществлена за один день. Контейнеры можно более эффективно заполнять, чем разбивать навалом, поскольку контейнеры можно штабелировать в несколько этажей, что удваивает грузоподъемность корабля заданного размера. [66]
Затраты на погрузку и разгрузку контейнеров составляют часть общего объема работ, а ущерб и кражи гораздо ниже. Кроме того, многие товары, отправляемые в контейнерах, требуют меньше упаковки. [66]
Контейнеризация с небольшими ящиками использовалась во время обеих мировых войн, особенно во Второй мировой войне, но стала коммерческой в конце 1950-х годов. [66] Контейнеризация оставила большое количество складов на причалах в портовых городах пустующими, освободив землю для другого развития. См. Также: Интермодальные грузовые перевозки.
До фабричной системы большая часть производства, например прядение и ткачество, осуществлялась в домашнем хозяйстве и предназначалась для домашнего потребления. [68] [69] Частично это произошло из-за отсутствия транспортной инфраструктуры, особенно в Америке. [70]
Разделение труда практиковалось в древности, но во время промышленной революции оно стало более специализированным, так что вместо того, чтобы сапожник вырезал кожу в рамках операции по изготовлению обуви, рабочий ничего не делал, кроме вырезания кожи. [21] [55] В знаменитом примере Адама Смита с булавочной фабрикой каждый рабочий, выполняющий одну задачу, был гораздо более продуктивным, чем мастер, изготавливающий целую булавку.
Начиная с промышленной революции и вплоть до нее, большая часть работ передавалась субподрядам в рамках системы производства (также называемой домашней системой), при которой работа выполнялась на дому. Работа по выпуску включала прядение, ткачество, резку кожи и, реже, специальные изделия, такие как детали огнестрельного оружия. Торговые капиталисты или мастера-ремесленники обычно предоставляли материалы и собирали заготовки, которые превращались в готовую продукцию в центральной мастерской. [47] [21] [55]
Во время промышленной революции большая часть производства осуществлялась в мастерских, которые обычно располагались на заднем или верхнем уровне того же здания, где продавалась готовая продукция. В этих мастерских использовались инструменты, а иногда и простое оборудование, которое обычно приводилось в движение вручную или животными. Мастер-мастер, бригадир или купец-капиталист руководил работой и поддерживал качество. Мастерские выросли в размерах, но в начале 19 века их вытеснила фабричная система. При фабричной системе капиталисты нанимали рабочих, предоставляли здания, оборудование и материалы, а также занимались продажей готовой продукции. [47]
Изменения в традиционных рабочих процессах, внесенные после анализа работы и придания ей более систематического характера, значительно повысили производительность труда и капитала. Это был переход от европейской системы мастерства, где мастер изготавливал целое изделие, к американской системе производства , в которой использовались машины специального назначения и станки, которые изготавливали взаимозаменяемые детали с точностью . На совершенствование этого процесса ушли десятилетия и потребовались большие затраты, поскольку поначалу взаимозаменяемые детали стоили дороже. Взаимозаменяемость деталей была достигнута за счет использования приспособлений для удержания и точного выравнивания обрабатываемых деталей, приспособлений для направления станков и датчиков для измерения критических размеров готовых деталей. [47]
Другие рабочие процессы включали минимизацию количества шагов при выполнении отдельных задач, таких как кладка кирпича, путем проведения исследований времени и движения для определения лучшего метода. Система стала известна как тейлоризм в честь Фредрика Уинслоу Тейлора , самого известного разработчика этого метода. , который также известен как научный менеджмент после его работы «Принципы научного менеджмента» . [71]
Стандартизация и взаимозаменяемость считаются основными причинами исключительности США. [72] Стандартизация была частью перехода на взаимозаменяемые детали , но ей также способствовала железнодорожная промышленность и товары массового производства . [47] [73] Стандартизация колеи железнодорожных путей и стандарты для железнодорожных вагонов позволили объединить железные дороги. Железнодорожное время формализовало часовые пояса. Промышленные стандарты включали размеры и резьбу винтов, а затем и электрические стандарты. Стандарты морских контейнеров были широко приняты в конце 1960-х годов и официально приняты ок. 1970. [66] Сегодня существует огромное количество технических стандартов . Коммерческие стандарты включают в себя такие вещи, как размеры кроватей. Архитектурные стандарты охватывают множество измерений, включая лестницы, двери, высоту стоек и другие конструкции, чтобы сделать здания безопасными, функциональными и в некоторых случаях обеспечить определенную взаимозаменяемость.
Электрификация позволила систематически размещать такое оборудование, как станки , вдоль потока работ. Электрификация была практическим способом моторизации конвейеров для передачи деталей и сборок рабочим, что было ключевым шагом, ведущим к массовому производству и сборочной линии . [20]
Деловое администрирование, включающее в себя методы управления и системы бухгалтерского учета, является еще одной важной формой практики работы. По мере роста размеров предприятий во второй половине XIX века они начали организовываться по отделам и управляться профессиональными менеджерами, а не индивидуальными предпринимателями или партнерами. [74] [ нужна страница ]
Бизнес-администрирование в том виде, в каком мы его знаем, было разработано железными дорогами, которым приходилось переправлять поезда, вагоны, оборудование, персонал и грузы на большие территории. [74]
Современное коммерческое предприятие (МБП) – это организация и управление предприятиями, особенно крупными. [75] В MBE работают профессионалы, которые используют методы, основанные на знаниях, в таких областях, как инженерия, исследования и разработки, информационные технологии, деловое администрирование, финансы и бухгалтерский учет. MBE обычно выигрывает от эффекта масштаба.
«До появления бухгалтерского учета на железных дорогах мы были кротами, роющимися в темноте». [76] Эндрю Карнеги
Непрерывное производство — это метод, при котором процесс работает без перерывов в течение длительных периодов времени, возможно, даже лет. Непрерывное производство началось с доменных печей в древние времена и стало популярным благодаря механизированным процессам после изобретения бумагоделательной машины Фурдринье во время промышленной революции, которая послужила источником вдохновения для непрерывной прокатки. [77] Он начал широко использоваться в химической и нефтеперерабатывающей промышленности в конце девятнадцатого и начале двадцатого веков. Позже его стали применять для прямой разливки полос стали и других металлов.
Ранние паровые двигатели не обеспечивали мощность при достаточно постоянной нагрузке для многих непрерывных применений, от хлопкопрядения до прокатных станов, поэтому источником энергии была только вода. Достижения в области паровых двигателей, таких как паровой двигатель Корлисса, и развитие теории управления привели к более постоянным скоростям двигателя, что сделало энергию пара полезной для таких деликатных задач, как прядение хлопка. Двигатели переменного тока, которые работают с постоянной скоростью даже при изменении нагрузки, хорошо подходят для таких процессов.
Потери сельскохозяйственной продукции из-за порчи, насекомых и крыс в значительной степени способствовали повышению производительности. Большая часть сена, хранившегося на открытом воздухе, была потеряна из-за порчи до того, как хранение в помещении или какие-либо средства укрытия стали обычным явлением. Пастеризация молока позволила отправлять его по железной дороге. [26]
Содержание скота зимой в закрытых помещениях снижает количество необходимого корма. Кроме того, было обнаружено, что скармливание измельченного сена и молотых зерен, особенно кукурузы (кукурузы), улучшает усвояемость. [26] Количество корма, необходимое для производства 1 кг курицы в живом весе, упало с 5 в 1930 году до 2 к концу 1990-х, а необходимое время сократилось с трех месяцев до шести недель. [17]
Зеленая революция увеличила урожайность соевых бобов в 3 раза и кукурузы (кукурузы), пшеницы, риса и некоторых других культур в 4–5 раз. Используя данные по кукурузе (кукурузе) в США, урожайность увеличилась примерно на 1,7 бушеля с акра с начала 1940-х годов до первого десятилетия 21-го века, когда выражалась обеспокоенность по поводу достижения пределов фотосинтеза. Из-за постоянного характера увеличения урожайности годовой процентный прирост снизился с более чем 5% в 1940-х годах до 1% сегодня, поэтому, хотя урожайность какое-то время опережала рост населения, теперь рост урожайности отстает от роста населения.
Высокие урожаи были бы невозможны без значительного применения удобрений, [79] [ нужен лучший источник ], особенно азотных удобрений, которые стали доступными благодаря аммиачному процессу Габера-Боша . [80] Азотные удобрения применяются во многих частях Азии в количествах, подверженных убывающей отдаче, [80] которые, однако, все же дают небольшое увеличение урожайности. Сельскохозяйственные культуры в Африке, как правило, испытывают нехватку NPK, а большая часть почв мира испытывает дефицит цинка, что приводит к дефициту цинка у людей.
Наибольший период роста производительности сельского хозяйства в США пришелся на период со Второй мировой войны до 1970-х годов. [19]
Земля считается формой капитала, но в остальном ей уделяется мало внимания по сравнению с ее важностью как фактора производительности со стороны современных экономистов, хотя она была важна в классической экономике. Однако более высокие урожаи эффективно увеличили площадь земель.
Процесс изготовления чугуна был известен в Китае еще в III веке нашей эры. [81] Производство чугуна достигло Европы в 14 веке и Британии около 1500 года. Чугун был полезен для литья горшков и других орудий, но был слишком хрупким для изготовления большинства инструментов. Однако чугун имел более низкую температуру плавления, чем кованое, и его было гораздо легче изготавливать по примитивной технологии. [82] Кованое железо было материалом, используемым для изготовления многих предметов оборудования, инструментов и других орудий. До того, как в Европе начали производить чугун, кованое железо производилось небольшими партиями методом блюмери , который никогда не использовался в Китае. [81] Кованое железо можно было сделать из чугуна дешевле, чем из блумера.
Недорогим процессом изготовления кованого железа хорошего качества была обработка лужей , которая получила широкое распространение после 1800 года. [83] Изготовление лужи включало перемешивание расплавленного чугуна до тех пор, пока небольшие шарики не обезуглероживались настолько, что образовывали шарики горячего кованого железа, которые затем удалялись и забивались в формы. Пудлинг был чрезвычайно трудоемким. Пудлинг использовался до появления бессемеровского и мартеновского процессов в середине и конце 19 века соответственно. [21]
Блистерная сталь изготавливалась из кованого железа путем упаковки кованого железа в древесный уголь и нагревания в течение нескольких дней. См.: Процесс цементации . Черновая сталь могла быть нагрета и закована в кованое железо, чтобы получить сдвиговую сталь, которая использовалась для режущих кромок, таких как ножницы, ножи и топоры. Сдвиговая сталь имела неоднородное качество, и для производства часовых пружин, популярного предмета роскоши в 18 веке, требовался более совершенный процесс. Успешным процессом стала тигельная сталь , которую получали путем плавления кованого железа и черновой стали в тигле. [21] [28]
Производство стали и других металлов было затруднено из-за трудности создания достаточно высоких температур для плавки. Понимание термодинамических принципов, таких как улавливание тепла из дымовых газов путем предварительного нагрева воздуха для горения, известного как горячий дутье , привело к гораздо более высокой энергоэффективности и более высоким температурам. Предварительно нагретый воздух для горения использовался при производстве чугуна и в мартеновских печах . В 1780 году, до введения горячего дутья в 1829 году, для его производства требовалось в семь раз больше кокса, чем вес получаемого чугуна. [84] В 1900 году центнер кокса на короткую тонну чугуна составлял 35, а в 1950 году упал до 13. К 1970 году наиболее эффективные доменные печи использовали 10 центнеров кокса на короткую тонну чугуна. [27]
Сталь имеет гораздо более высокую прочность, чем кованое железо , и позволяет строить мосты с длинными пролетами, высотные здания, автомобили и другие предметы. Из стали также изготавливались превосходные резьбовые крепления (винты, гайки, болты), гвозди, проволока и другие метизы. Стальные рельсы прослужили более чем в 10 раз дольше, чем рельсы из кованого железа . [85]
Бессемеровский и мартеновский процессы были гораздо более эффективными, чем производство стали методом лужи, поскольку в них в качестве источника тепла использовался углерод, содержащийся в чугуне. Процессы Бессемера (запатентован в 1855 г.) и Сименса-Мартина ( ок . 1865 г.) значительно снизили стоимость стали . К концу XIX века «базовый» процесс Гилчирста-Томаса позволил снизить производственные затраты на 90% по сравнению с процессом лужи середины века.
Сегодня доступны различные легированные стали , которые обладают превосходными свойствами для специальных применений, таких как автомобили, трубопроводы и буровые долота. Быстрорежущие или инструментальные стали, разработка которых началась в конце 19 века, позволили станкам резать сталь на гораздо более высоких скоростях. [86] Быстрорежущая сталь и еще более твердые материалы были важным компонентом массового производства автомобилей. [87]
Одними из наиболее важных специальных материалов являются лопатки паровых и газовых турбин , которые должны выдерживать экстремальные механические нагрузки и высокие температуры. [28]
Размеры доменных печей значительно выросли за 20 век, а также появились такие инновации, как дополнительная рекуперация тепла и пылевидный уголь, которые вытеснили кокс и повысили энергоэффективность. [88]
Бессемеровская сталь с возрастом становилась хрупкой, потому что при вдувании воздуха вводился азот. [89] Бессемеровский процесс также ограничивался некоторыми рудами (гематит с низким содержанием фосфатов). К концу XIX века бессемеровский процесс был вытеснен мартеновской печью (МАТ). После Второй мировой войны мартеновская печь была заменена кислородно-конверторной печью (конвертерным способом), в которой вместо воздуха использовался кислород, и для производства партии стали требовалось около 35–40 минут по сравнению с 8–9 часами для мартеновской печи. Конвертер также был более энергоэффективным. [88]
К 1913 году 80% стали производилось из расплавленного чугуна непосредственно из доменной печи, исключив этап разливки «чушек» (слитков) и переплавки. [59]
Непрерывный широкополосный стан, разработанный АРМКО в 1928 году, стал самым важным достижением сталелитейной промышленности в межвоенные годы. [90] Непрерывную прокатку широкой полосы начинали с толстого грубого слитка. Получался более гладкий лист с более однородной толщиной, который лучше поддавался штамповке и давал красивую окрашенную поверхность. Это было хорошо для автомобильной стали и бытовой техники. Он требовал лишь небольшой части труда по сравнению с прерывистым процессом и был безопаснее, поскольку не требовал непрерывного обслуживания. Непрерывная прокатка стала возможной благодаря улучшенному регулированию скорости секций: См.: Автоматизация, управление процессом и сервомеханизмы.
После 1950 года непрерывная разливка способствовала повышению производительности преобразования стали в конструкционные формы за счет исключения периодического этапа изготовления слябов, заготовок (квадратного сечения) или блюмов (прямоугольных), которые затем обычно приходилось повторно нагревать перед прокаткой в формы. [24] Литье тонких слябов, введенное в 1989 году, сократило трудозатраты до менее чем одного часа на тонну. Непрерывная разливка тонких слябов и конвертерная обработка были двумя наиболее важными достижениями в производительности в производстве стали 20-го века. [91]
В результате этих нововведений между 1920 и 2000 годами потребность в рабочей силе в сталелитейной промышленности снизилась в 1000 раз, с более чем 3 рабочих часов на тонну всего до 0,003. [24]
Соединения натрия: карбонат, бикарбонат и гидроксид — важные промышленные химикаты, используемые в таких важных продуктах, как производство стекла и мыла. До изобретения процесса Леблана в 1791 году карбонат натрия производился по высокой цене из золы морских водорослей и растения барилла . Начиная с 1860-х годов процесс Леблана был заменен процессом Сольве . Благодаря широкой доступности недорогой электроэнергии, большое количество натрия производится вместе с хлором в результате электрохимических процессов. [21]
Цемент является связующим веществом для бетона , который сегодня является одним из наиболее широко используемых строительных материалов из-за его низкой стоимости, универсальности и долговечности. Портландцемент , изобретенный в 1824–1825 годах, производится путем обжига известняка и других природных минералов в печи . [92] Большим достижением стало совершенствование вращающихся цементных печей в 1890-х годах, этот метод используется до сих пор. [93] Железобетон, пригодный для строительства, начал использоваться в начале 20 века. [94]
Бумагу изготавливали вручную по одному листу до тех пор, пока не была разработана бумагоделательная машина Фурдринье (ок. 1801 г.), которая производила непрерывный лист. Производство бумаги было строго ограничено поставками хлопчатобумажной и льняной тряпки с момента изобретения печатного станка до появления древесной массы (около 1850-х годов) в ответ на нехватку тряпья. [4] Сульфитный процесс производства древесной массы начал действовать в Швеции в 1874 году. Бумага, изготовленная из сульфитной целлюлозы, имела превосходные прочностные свойства, чем ранее использовавшаяся измельченная древесная масса (около 1840 года). [95] Процесс крафт - целлюлозы (по-шведски « сильная ») был коммерциализирован в 1930-х годах. Химикаты для целлюлозы восстанавливаются и перерабатываются внутри крафт-процесса, что также экономит энергию и снижает загрязнение. [95] [96] Крафт -картон — это материал, из которого изготовлены внешние слои коробок из гофрированного картона. До тех пор, пока не появились коробки из крафт-гофрокартона, упаковка состояла из коробок из бумаги и картона низкого качества, а также деревянных коробок и ящиков. Изготовление ящиков из гофрированного картона требует гораздо меньше труда, чем деревянные ящики, и обеспечивает хорошую защиту их содержимого. [95] Транспортные контейнеры уменьшают потребность в упаковке. [66]
Вулканизированная резина сделала возможным создание пневматических шин, что, в свою очередь, позволило разработать современные транспортные средства и внедорожники, какими мы их знаем. Синтетический каучук стал важным во время Второй мировой войны, когда поставки натурального каучука были прекращены.
Каучук вдохновил на создание класса химических веществ, известных как эластомеры , некоторые из которых используются сами по себе или в смесях с каучуком и другими соединениями для уплотнений и прокладок, амортизирующих бамперов и множества других применений.
Пластмассы можно недорого превратить в предметы повседневного обихода, что позволило значительно снизить стоимость различных товаров, включая упаковку, контейнеры, детали и бытовые трубы.
Оптическое волокно начало заменять медный провод в телефонной сети в 1980-х годах. Оптические волокна имеют очень малый диаметр, что позволяет объединять их в кабель или кабелепровод. Оптическое волокно также является энергоэффективным средством передачи сигналов.
Сейсмическая разведка , начавшаяся в 1920-х годах, использует отраженные звуковые волны для картирования геологии недр, чтобы помочь обнаружить потенциальные залежи нефти. Это было большим улучшением по сравнению с предыдущими методами, которые требовали в основном удачи и хороших знаний геологии, хотя удача по-прежнему играла важную роль в нескольких крупных открытиях. Роторное бурение было более быстрым и эффективным способом бурения нефтяных и водяных скважин. Он стал популярным после того, как его использовали при первом открытии месторождения Восточный Техас в 1930 году.
Было разработано множество новых твердых материалов для режущих кромок, например, при механической обработке. Сталь Мушет , разработанная в 1868 году, была предшественницей быстрорежущей стали , которая была разработана командой под руководством Фредрика Уинслоу Тейлора из Bethlehem Steel Company примерно в 1900 году. [71] Быстрорежущая сталь сохраняла свою твердость, даже когда она раскалялась докрасна. . За ним последовал ряд современных сплавов.
С 1935 по 1955 год скорость резания увеличилась со 120 до 200 футов/мин и до 1000 футов/мин из-за более твердых режущих кромок, что привело к снижению затрат на обработку на 75%. [97]
Одним из наиболее важных новых твердых материалов для резки является карбид вольфрама .
Дематериализация — это сокращение использования материалов в производстве, строительстве, упаковке или других целях. В США количество сырья на единицу продукции снизилось примерно на 60% с 1900 года. В Японии сокращение составило 40% с 1973 года. [98]
Дематериализация стала возможной за счет замены материалов более качественными и инженерных разработок, направленных на снижение веса при сохранении функциональности. Современными примерами являются пластиковые контейнеры для напитков, заменяющие стекло и картон, пластиковая термоусадочная пленка, используемая при транспортировке, и легкие пластиковые упаковочные материалы. Дематериализация произошла в сталелитейной промышленности США, где пик потребления пришелся на 1973 год как в абсолютном выражении, так и в расчете на душу населения. [88] В то же время потребление стали на душу населения выросло во всем мире за счет аутсорсинга производства в развивающиеся страны. [99] [ сомнительно ] Совокупный мировой ВВП или богатство росли прямо пропорционально потреблению энергии с 1970 года, в то время как парадокс Джевонса утверждает, что повышение эффективности приводит к увеличению потребления энергии. [100] [101] Доступ к энергии во всем мире сдерживает дематериализацию. [102]
Телеграф появился примерно в начале эры железных дорог, и железные дороги обычно устанавливали телеграфные линии на своих маршрутах для связи с поездами . [103]
Телетайпы появились в 1910 году [104] и к 1929 году заменили от 80 до 90% операторов азбуки Морзе. По оценкам, один телетайпист заменил 15 операторов азбуки Морзе. [59]
Первые телефоны использовались в первую очередь для бизнеса. Ежемесячное обслуживание обходится примерно в треть среднего заработка рабочего. [24] Телефон, а также грузовики и новые дорожные сети позволили предприятиям резко сократить запасы в 1920-е годы. [51]
Телефонные звонки обрабатывались операторами с использованием коммутаторов до тех пор, пока в 1892 году не был введен автоматический коммутатор. К 1929 году 31,9% системы Bell были автоматическими. [59]
В автоматическом телефонном переключении первоначально использовались электромеханические переключатели, управляемые ламповыми устройствами, которые потребляли большое количество электроэнергии. В конечном итоге объем звонков вырос настолько быстро, что возникли опасения, что телефонная система поглотит всю производимую электроэнергию, что побудило Bell Labs начать исследования транзистора . [105]
После Второй мировой войны микроволновая передача стала использоваться для междугородной телефонной связи и передачи телевизионных программ на местные станции для ретрансляции.
Распространение телефонии в домашних хозяйствах стало зрелым с появлением оптоволоконной связи в конце 1970-х годов. Волоконная оптика значительно увеличила пропускную способность передачи информации по сравнению с предыдущими медными проводами и еще больше снизила стоимость связи на большие расстояния. [106]
Спутники связи начали использоваться в 1960-х годах и сегодня передают различную информацию, включая данные о транзакциях по кредитным картам, радио, телевидение и телефонные звонки. [103] Глобальная система позиционирования (GPS) работает на основе сигналов спутников.
Факсы (сокращение от факсимиле) различных типов существовали с начала 1900-х годов, но получили широкое распространение с середины 1970-х годов.
До того, как коммунальная вода стала поставляться в домохозяйства, кому-то было необходимо ежегодно доставлять до 10 000 галлонов воды в среднестатистическое домохозяйство. [107]
Природный газ начал поставляться в домохозяйства в конце 19 века.
Бытовая техника последовала за электрификацией домохозяйств в 1920-х годах, когда потребители покупали электрические плиты, тостеры, холодильники и стиральные машины. Благодаря бытовой технике и полуфабрикатам время, затрачиваемое на приготовление еды, уборку, стирку и уборку, сократилось с 58 часов в неделю в 1900 году до 18 часов в неделю к 1975 году. Меньшее время, затрачиваемое на работу по дому, позволило большему количеству женщин выйти на рынок труда. . [108]
Автоматизация означает автоматическое управление, то есть процесс выполняется с минимальным вмешательством оператора. Некоторые из различных уровней автоматизации: механические методы, электрическое реле , управление с обратной связью с помощью контроллера и компьютерное управление. Обычно автоматизация применяется для контроля температуры, расхода и давления. Автоматическое регулирование скорости важно во многих отраслях промышленности, особенно в секционных приводах, например, при прокатке металла и сушке бумаги. [109]
Самыми ранними применениями управления процессом были механизмы, которые регулировали зазор между жерновами для помола зерна и для того, чтобы ветряные мельницы были направлены против ветра. Центробежный регулятор , используемый для регулировки жерновов, был скопирован Джеймсом Уоттом для управления скоростью паровых двигателей в ответ на изменения тепловой нагрузки на котел; однако, если нагрузка на двигатель менялась, регулятор только поддерживал постоянную скорость на новом уровне. Потребовалась большая работа по развитию, чтобы достичь степени устойчивости, необходимой для работы текстильного оборудования. [110] [ нужна страница ] Математический анализ теории управления был впервые разработан Джеймсом Клерком Максвеллом . Теория управления приобрела свою «классическую» форму к 1950-м годам. [111] См.: Теория управления#История.
Электрификация фабрик принесла с собой простые электрические элементы управления, такие как лестничная логика , при которой кнопки можно было использовать для активации реле для включения пускателей двигателей. В схему можно добавить другие элементы управления, такие как блокировки, таймеры и концевые выключатели.
Сегодня под автоматизацией обычно понимают управление с обратной связью. Примером является круиз-контроль в автомобиле, который применяет непрерывную коррекцию, когда датчик управляемой переменной (в данном примере скорости) отклоняется от заданного значения, и может реагировать корректирующим образом, чтобы сохранить настройку. Управление технологическими процессами — это обычная форма автоматизации, которая позволяет управлять такими промышленными операциями, как нефтеперерабатывающие заводы, паровые электростанции или бумажные фабрики, с минимальным использованием рабочей силы, обычно из нескольких диспетчерских.
Потребность в приборах росла вместе с быстро растущими центральными электростанциями после Первой мировой войны. Приборы также были важны для печей термической обработки, химических заводов и нефтеперерабатывающих заводов. Обычное оборудование предназначалось для измерения температуры, давления или расхода. Показания обычно записывались на круговых или ленточных диаграммах. До 1930-х годов управление обычно было «разомкнутым», то есть не использовало обратную связь. Операторы выполняли различные регулировки, например, поворачивая ручки клапанов. [111] Если это делается из диспетчерской, сообщение может быть отправлено оператору на заводе с помощью светового индикатора с цветовой кодировкой, давая ему знать, увеличивать или уменьшать то, что контролируется. Сигнальные огни управлялись с помощью распределительного щита, который вскоре стал автоматизированным. [112] Автоматическое управление стало возможным благодаря контроллеру с обратной связью, который распознавал измеряемую переменную, измерял отклонение от заданного значения и, возможно, скорость изменения и взвешенную по времени величину отклонения, сравнивал его с заданным значением и автоматически применял рассчитанную регулировку. Автономный контроллер может использовать комбинацию механических, пневматических, гидравлических или электронных аналогов для управления управляемым устройством. После того, как они были разработаны, появилась тенденция использовать электронные средства управления, но сегодня наблюдается тенденция к использованию компьютера для замены отдельных контроллеров.
К концу 1930-х годов контроль с обратной связью получил широкое распространение. [111] Управление с обратной связью было важной технологией непрерывного производства .
Автоматизация телефонной системы позволила набирать местные номера вместо звонков через оператора. Дальнейшая автоматизация позволила звонящим совершать междугородние звонки с помощью прямого набора . Со временем почти все операторы были заменены автоматикой.
Станки были автоматизированы с помощью числового программного управления (ЧПУ) в 1950-х годах. Вскоре это превратилось в компьютеризированное числовое управление (ЧПУ).
Сервомеханизмы обычно представляют собой устройства управления положением или скоростью, использующие обратную связь. Понимание этих устройств рассматривается в теории управления . Теория управления была успешно применена для управления кораблями в 1890-х годах, но, столкнувшись с сопротивлением личного состава, она не получила широкого применения для этого применения до окончания Первой мировой войны. Сервомеханизмы чрезвычайно важны для обеспечения автоматического контроля устойчивости самолетов и в широком спектре промышленных применений.
Промышленные роботы использовались в ограниченных масштабах с 1960-х годов, но фаза их быстрого роста началась в середине 1980-х годов после широкой доступности микропроцессоров, используемых для их управления. К 2000 году во всем мире насчитывалось более 700 000 роботов. [17]
Ранняя электрическая обработка данных осуществлялась путем пропускания перфокарт через счетные машины , причем отверстия в картах позволяли электрическому контакту увеличивать электронные счетчики. Машины для табулирования относились к категории, называемой оборудованием для единичной записи , с помощью которой поток перфокарт был организован в программной последовательности, что позволяло выполнять сложную обработку данных. Оборудование для единичной записи широко использовалось до появления компьютеров.
Полезность счетных машин была продемонстрирована при составлении переписи населения США 1890 года, что позволило обработать перепись менее чем за год и с большой экономией труда по сравнению с 13 годами, которые предполагалось выполнить при использовании предыдущего ручного метода. [113]
Первые цифровые компьютеры были более производительными, чем счетные машины, но ненамного. В ранних компьютерах использовались тысячи электронных ламп (термоэлектронных клапанов), которые потребляли много электроэнергии и постоянно нуждались в замене. К 1950-м годам электронные лампы были заменены транзисторами , которые были гораздо более надежными и потребляли относительно мало электроэнергии. К 1960-м годам тысячи транзисторов и других электронных компонентов можно было производить на кремниевых полупроводниковых пластинах в виде интегральных схем , которые повсеместно используются в современных компьютерах.
Компьютеры использовали бумажную ленту и перфокарты для ввода данных и программирования до 1980-х годов, когда все еще было обычным явлением получать ежемесячные счета за коммунальные услуги, напечатанные на перфокарте, которые возвращались вместе с оплатой клиента.
В 1973 году IBM представила POS- терминалы , в которых электронные кассовые аппараты были подключены к сети мэйнфрейма магазина. К 1980-м годам были добавлены считыватели штрих-кода . Эти технологии автоматизируют управление запасами. Wal-Mart был одним из первых, кто внедрил POS. По оценкам Бюро статистики труда, сканеры штрих-кодов на кассах увеличили скорость обзвона на 30% и снизили трудозатраты кассиров и упаковщиков на 10–15%. [114]
Хранение данных стало лучше организовано после разработки программного обеспечения для реляционных баз данных , которое позволило хранить данные в разных таблицах. Например, теоретическая авиакомпания может иметь множество таблиц, таких как: самолеты, сотрудники, подрядчики по техническому обслуживанию, поставщики общественного питания, рейсы, аэропорты, платежи, билеты и т. д. каждая из них содержит более узкий набор более конкретной информации, чем простой файл, такой как файл. электронная таблица. Эти таблицы связаны общими полями данных, называемыми ключами . (См.: Реляционная модель. ) Данные можно получить в различных конкретных конфигурациях, создав запрос без необходимости использования всей таблицы. Это, например, позволяет легко найти место пассажира с помощью различных средств, таких как номер билета или имя, и предоставить только запрошенную информацию . См.: SQL
С середины 1990-х годов интерактивные веб-страницы позволяют пользователям получать доступ к различным серверам через Интернет для участия в электронной коммерции, например, онлайн-покупки , оплата счетов, торговля акциями, управление банковскими счетами и автоматическое продление регистрации. Это высшая форма автоматизации бэк-офиса, поскольку информация о транзакциях передается непосредственно в базу данных.
Компьютеры также значительно увеличили производительность сектора связи, особенно в таких областях, как ликвидация телефонных операторов. В инженерном деле компьютеры заменили ручное черчение на CAD , что привело к увеличению производительности чертежников в среднем на 500%. [17] Разработано программное обеспечение для расчетов, используемых при проектировании электронных схем, анализе напряжений, тепловых и материальных балансах. Программное обеспечение для моделирования процессов было разработано как для стационарного, так и для динамического моделирования, последнее способно дать пользователю опыт, очень похожий на управление реальным процессом, например, на нефтеперерабатывающем заводе или бумажной фабрике, позволяя пользователю оптимизировать процесс или экспериментировать с его модификациями.
Банкоматы (банкоматы) стали популярными в последние десятилетия, а кассы самообслуживания в розничных магазинах появились в 1990-х годах.
Система бронирования авиабилетов и банковское дело — это области, где компьютеры практически необходимы. Современные военные системы также полагаются на компьютеры.
В 1959 году нефтеперерабатывающий завод Texaco в Порт-Артуре стал первым химическим заводом, применившим цифровое управление технологическими процессами. [114]
Компьютеры не произвели революцию в производстве, поскольку автоматизация в виде систем управления существовала уже несколько десятилетий, хотя компьютеры позволяли осуществлять более сложный контроль, что приводило к улучшению качества продукции и оптимизации процессов. См.: Парадокс продуктивности .
В длительном, дорогостоящем, сложном и сложном процессе производства полупроводниковых приборов (SDFP, одной из самых дорогих отраслей по состоянию на 2022 год) применялись различные подходы, и многие технологии исследовались с 1960-х годов как государственными (например, в США), так и частными предприятиями в Чтобы ускорить производственный процесс и повысить производительность проектирования и производства.
Программные средства автоматизации проектирования электроники (EDA) оказали большое влияние на создание и успех многих современных электронных устройств и продуктов. Поскольку интеграция полупроводников и появление устройств СБИС с годами росли, стало невозможно идти в ногу с темпом (см. Также закон Мура ) без использования специализированных инструментов. Программные средства EDA широко применяются в современном процессе изготовления фотошаблонов (ранее это делалось вручную [115] ). Они обеспечили постоянное повышение производительности проектирования и прототипирования устройств ASIC / FPGA / DRAM и значительно сократили время вывода на рынок . [115] [116] : 46 В 2003 году сообщалось о трёх поколениях костюмов EDA по количеству логических элементов устройств на человеко-лет с 1979 по 1995 год: I, II и III. [116] : 47 Очевидно, производительность выросла в сотни раз за счет миграции от поколения I к поколению III. Благодаря постоянно развивающемуся EDA стало возможным тратить на разработку сложных ASIC столько же времени, сколько много лет назад тратилось на менее сложные. [116] : 47
Достижения в технологиях фотолитографии, такие как эксимерный лазер на основе фторида криптона (KrF), также помогли повысить производительность при более низких затратах, даже несмотря на их собственную дороговизну. [117]
«1929–1941 годы были в целом наиболее технологически прогрессивными из всех сопоставимых периодов в экономической истории США». Александр Дж. Филд [118]
«По мере продвижения индустриализации ее последствия, условно говоря, становились менее, а не более революционными» вложения". [119] Алан Суизи, 1943 год.
Рост производительности труда в США находился в долгосрочном спаде с начала 1970-х годов, за исключением всплеска 1996–2004 годов, вызванного ускорением инноваций в области полупроводников по закону Мура . [120] [121] [122] [123] [124] [125] Частично ранний спад был связан с ужесточением государственного регулирования с 1960-х годов, включая ужесточение экологических норм. [126] Частично снижение темпов роста производительности связано с исчерпанием возможностей, особенно с учетом сокращения размеров традиционно высокопроизводительных секторов. [127] [128] Роберт Дж. Гордон считал производительность «одной большой волной», которая достигла пика и теперь снижается до более низкого уровня, в то время как М. Кинг Хабберт назвал феномен значительного роста производительности, предшествовавший Великой депрессии, «одной большой волной». событие времени». [129] [130]
Из-за снижения прироста населения в США и пика роста производительности устойчивый рост ВВП США так и не вернулся к темпам в 4% с лишним, наблюдавшимся за десятилетия до Первой мировой войны. [120] [124] [131]
Компьютер и подобные ему полупроводниковые устройства, используемые в автоматизации, представляют собой наиболее важные технологии повышения производительности, разработанные в последние десятилетия двадцатого века; однако их вклад в общий рост производительности был разочаровывающим. Наибольший рост производительности произошел в новой компьютерной отрасли и смежных отраслях. [118] Экономист Роберт Дж. Гордон входит в число тех, кто задается вопросом, соответствуют ли компьютеры великим инновациям прошлого, таким как электрификация. [129] Эта проблема известна как парадокс производительности . Анализ производительности в США, проведенный Гордоном (2013), дает два возможных всплеска роста: один в 1891–1972 годах, а второй в 1996–2004 годах из-за ускорения технологических инноваций, связанных с законом Мура . [132]
Повышение производительности повлияло на относительные размеры различных секторов экономики за счет снижения цен и занятости. Производительность сельского хозяйства высвободила рабочую силу в то время, когда промышленность росла. Рост производительности производства достиг своего пика в связи с электрификацией и автоматизацией предприятий, но все еще остается значительным. Однако по мере сокращения относительного размера производственного сектора росли государственный сектор и сектор услуг, в которых наблюдается низкий рост производительности. [127]
Хронический голод и недоедание были нормой для большинства населения мира, включая Англию и Францию, до второй половины XIX века. Примерно до 1750 года, во многом из-за недоедания, продолжительность жизни во Франции составляла около 35 лет, а в Англии лишь немного выше. Население США того времени адекватно питалось, было намного выше ростом и имело продолжительность жизни 45–50 лет. [133] [134]
Повышение уровня жизни было достигнуто в основном за счет повышения производительности. В США сумма личного потребления, которую можно было купить за один час работы, составляла около 3 долларов в 1900 году и увеличилась примерно до 22 долларов к 1990 году, если измерять ее в долларах 2010 года. [108] Для сравнения: рабочий в США сегодня зарабатывает больше (с точки зрения покупательной способности), работая в течение десяти минут, чем натуральные рабочие, такие как английские фабричные рабочие, о которых писал Фредрик Энгельс в 1844 году, зарабатывавшие за 12-часовой рабочий день.
В результате роста производительности рабочая неделя значительно сократилась в XIX веке. [135] [136] К 1920-м годам средняя рабочая неделя в США составляла 49 часов, но рабочая неделя была сокращена до 40 часов (после чего применялась надбавка за сверхурочную работу) в рамках Закона о восстановлении национальной промышленности 1933 года.
Стремление к введению четырехдневной недели остается малоактуальным на современном рабочем месте из-за различных возможных преимуществ, которые это может принести.
Тонну товара можно было привезти на 3000 миль из Европы примерно за 9 долларов, но за ту же сумму его можно было перевезти только на 30 миль по этой стране.
{{cite journal}}: Требуется цитировать журнал |journal=( помощь ){{cite journal}}: Требуется цитировать журнал |journal=( помощь ){{cite journal}}: Требуется цитировать журнал |journal=( помощь ){{cite journal}}: Требуется цитировать журнал |journal=( помощь ){{cite journal}}: Требуется цитировать журнал |journal=( помощь )Рис. 12. Скорость обработки стальной оси.
существует постоянная связь между темпами потребления энергии и временным интегралом экономического производства с поправкой на инфляцию в глобальном масштабе.
экономический рост не может продолжаться бесконечно… Если поток энергии фиксирован, а мы постулируем продолжающийся экономический рост, то ВВП продолжает расти, в то время как энергия остается в фиксированном масштабе. Это означает, что энергия – физически ограниченный ресурс, разум – должна стать сколь угодно дешевой.
{{cite book}}: CS1 maint: другие ( ссылка ){{cite journal}}: Требуется цитировать журнал |journal=( помощь ){{cite journal}}: Требуется цитировать журнал |journal=( помощь ){{cite journal}}: Требуется цитировать журнал |journal=( помощь )Экономика США достигла темпа роста производительности труда 2,48 процента в год в течение 81 года, затем в течение 24 лет - 1,32 процента, затем временное восстановление до 2,48 процента и окончательное замедление до 1,35 процента. Весьма примечательно сходство темпов роста 1891–1972 гг. с 1996–2004 гг., а 1972–1996 гг. – с 1996–2011 гг.