Технологии повышения производительности — 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 данного количества экономических товаров и услуг. Рост производительности в значительной степени отвечает за рост уровня жизни на душу населения .
Технологии повышения производительности восходят к античности, с довольно медленным прогрессом до позднего Средневековья. Важные примеры ранних и средневековых европейских технологий включают водяное колесо , хомут , прялку, трехпольную систему (после 1500 года четырехпольная система — см. севооборот ) и доменную печь . [2]
Техническому прогрессу способствовала грамотность и распространение знаний, которые ускорились после того, как прялка распространилась в Западной Европе в 13 веке. Прялка увеличила поставки тряпья, используемого для пульпы при изготовлении бумаги , технология которой достигла Сицилии где-то в 12 веке. Дешевая бумага стала фактором в развитии печатного станка с подвижным шрифтом , что привело к значительному увеличению числа опубликованных 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 технологической книгой 16 века и было стандартным текстом по химии в течение следующих 180 лет. [5]
Фрэнсис Бэкон (1561–1626) известен научным методом , который был ключевым фактором научной революции . Бэкон утверждал, что технологиями, которые отличали Европу его времени от Средних веков, были бумага и книгопечатание, порох и магнитный компас, известные как четыре великих изобретения , которые имели свое начало в Китае. [6] [ нужна страница ] Другие китайские изобретения включали хомут для лошадей, чугун, улучшенный плуг и сеялку.
Технологии добычи и переработки металлов сыграли ключевую роль в технологическом прогрессе. Большая часть нашего понимания фундаментальной химии развилась из плавки и переработки руды, при этом De re metallica был ведущим текстом по химии. [5] Железные дороги произошли от шахтных тележек , а первые паровые двигатели были разработаны специально для откачки воды из шахт. Значение доменной печи выходит далеко за рамки ее возможностей для крупномасштабного производства чугуна. Доменная печь была первым примером непрерывного производства и представляет собой противоточный обменный процесс, различные типы которого также используются сегодня в химической и нефтеперерабатывающей промышленности. Горячий дутье , который перерабатывал то, что в противном случае было бы отходящим теплом, был одной из ключевых технологий в инженерии. Он имел немедленный эффект резкого сокращения энергии, необходимой для производства чугуна, но повторное использование тепла в конечном итоге стало применяться в различных отраслях промышленности, в частности, в паровых котлах, химической промышленности, нефтепереработке и целлюлозно-бумажной промышленности.
До XVII века научные знания, как правило, оставались в пределах интеллектуального сообщества, но к этому времени они стали доступны общественности в так называемой «открытой науке». [7] Ближе к началу промышленной революции вышла в свет « Энциклопедия» , написанная многочисленными авторами и отредактированная Дени Дидро и Жаном ле Рондом д'Аламбером (1751–72). Она содержала много статей по науке и была первой общей энциклопедией, которая подробно освещала механические искусства, но гораздо более известна своим представлением мыслей Просвещения .
Экономические историки в целом согласны с тем, что, за некоторыми исключениями, такими как паровая машина , нет прочной 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 совершенствованию естественных знаний, более известное как Королевское общество , и Академия наук. Были также технические колледжи, такие как École Polytechnique . Шотландия была первым местом, где преподавали науку (в 18-м веке), и именно там Джозеф Блэк открыл теплоемкость и скрытую теплоту , а его друг Джеймс Уатт использовал знания о тепле, чтобы придумать отдельный конденсатор как средство повышения эффективности паровой машины. [8]
Вероятно, первый период в истории, когда экономический прогресс был заметен после одного поколения, был во время Британской сельскохозяйственной революции в 18 веке. [9] Однако технологический и экономический прогресс не развивался 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 века в том, что иногда называют Второй промышленной революцией . Большинство основных инноваций Второй промышленной революции были основаны на современном научном понимании химии , электромагнитной теории и термодинамики и других принципов, известных профессии инженера.
До промышленной революции единственными источниками энергии были вода, ветер и мускулы. Большинство хороших гидроэнергетических объектов (те, которые не требовали массивных современных плотин) в Европе были разработаны в средневековый период. В 1750-х годах Джон Смитон , «отец гражданского строительства», значительно улучшил эффективность водяного колеса, применив научные принципы, тем самым добавив крайне необходимую мощность для промышленной революции. [10] Однако водяные колеса оставались дорогими, относительно неэффективными и не подходили для очень больших плотин. Высокоэффективная турбина Бенуа Фурнейрона, разработанная в конце 1820-х годов, в конечном итоге заменила водяные колеса. Турбины типа Фурнейрона могут работать с эффективностью 95% и используются в современных крупных гидроэнергетических установках. Гидроэнергетика продолжала оставаться ведущим источником промышленной энергии в Соединенных Штатах до середины 19 века из-за обильных участков, но паровая энергия обогнала гидроэнергию в Великобритании десятилетиями ранее. [11]
В 1711 году паровая машина Ньюкомена была установлена для откачки воды из шахты, работа, которую обычно выполняли большие группы лошадей, из которых в некоторых шахтах использовалось до 500. Животные преобразуют корм в работу с эффективностью около 5%, но хотя это было намного больше, чем менее 1% эффективности раннего двигателя Ньюкомена, в угольных шахтах был 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]
В то время как пароходы использовались в некоторых областях, 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 собирали и зерно молотили с помощью тягловой силы животных или вручную. Тяжелые грузы, такие как 382-фунтовые тюки хлопка, перевозили на ручных тележках до начала 20 века.
Раскопки проводились лопатами до конца 19 века, когда в обиход вошли паровые экскаваторы. Сообщалось, что в 1860 году от рабочего на западном участке канала Эри ожидалось выкопать 5 кубических ярдов в день; однако к 1890 году ожидалось только 3-1/2 ярда в день. [16] Современные большие электрические экскаваторы имеют ковши, вмещающие 168 кубических метров (220 кубических ярдов) и потребляющие электроэнергию города с населением 100 000 человек. [17]
Динамит , безопасная в обращении смесь нитроглицерина и диатомита, была запатентована в 1867 году Альфредом Нобелем . Динамит повысил производительность горнодобывающей промышленности, прокладки туннелей, строительства дорог, строительства и сноса зданий и сделал возможными такие проекты, как Панамский канал.
Паровая энергия была применена в молотилках в конце 19 века. Существовали паровые двигатели, которые передвигались на колесах с помощью собственной силы, которые использовались для временного питания стационарного сельскохозяйственного оборудования, такого как молотилки. Их называли дорожными двигателями, и Генри Форд, увидев один из них в детстве, вдохновился на создание автомобиля. [18] Паровые тракторы использовались, но так и не стали популярными.
С появлением двигателей внутреннего сгорания появились первые серийные тракторы ( Fordson около 1917 г.). Тракторы заменили лошадей и мулов для тяги жаток и зерноуборочных комбайнов, но в 1930-х годах были разработаны самоходные комбайны. Производительность на человека в час при выращивании пшеницы выросла примерно в 10 раз с конца Второй мировой войны до примерно 1985 года, в основном из-за механизированной техники, но также и из-за повышения урожайности. [19] Рабочая сила на кукурузе показала аналогичный, но более высокий рост производительности. См. ниже: Механизированное сельское хозяйство .
Один из самых больших периодов роста производительности труда совпал с электрификацией фабрик, которая проводилась в США между 1900 и 1930 годами [12] [20] См.: Массовое производство: Электрификация фабрик .
В истории техники и экономики наиболее важными типами энергоэффективности были преобразование тепла в работу, повторное использование тепла и снижение трения. [21] Также наблюдалось 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 до чуть более 1% Джоном Смитоном до усовершенствований Уатта , которые увеличили тепловой КПД до 2%. В 1900 году он потреблял 7 фунтов угля/кВт·ч.
Электрогенерация была сектором с самым высоким ростом производительности в США в начале двадцатого века. После рубежа веков крупные центральные станции с котлами высокого давления и эффективными паровыми турбинами заменили поршневые паровые двигатели, и к 1960 году требовалось 0,9 фунта угля на кВт-ч. С учетом улучшений в горнодобывающей промышленности и транспортировке общее улучшение составило более 10 раз . [22] Сегодняшние паровые турбины имеют КПД в диапазоне 40%. [13] [23] [24] [25] Большая часть электроэнергии сегодня вырабатывается тепловыми электростанциями с использованием паровых турбин.
Двигатели Ньюкомена и Уатта работали при давлении, близком к атмосферному, и использовали атмосферное давление в виде вакуума, создаваемого конденсирующимся паром, для выполнения работы. Двигатели с более высоким давлением были достаточно легкими и достаточно эффективными, чтобы использоваться для питания кораблей и локомотивов. Многоступенчатые двигатели были разработаны в 1870-х годах и впервые оказались достаточно эффективными, чтобы позволить кораблям перевозить больше грузов, чем угля, что привело к значительному росту международной торговли. [26]
Первым крупным дизельным судном был MS Selandia , спущенный на воду в 1912 году. К 1950 году треть торговых судов работала на дизельном топливе. [27] Сегодня наиболее эффективным первичным двигателем является двухтактный морской дизельный двигатель, разработанный в 1920-х годах, мощность которого в настоящее время достигает более 100 000 лошадиных сил с тепловым КПД 50%. [28]
Паровозы, потреблявшие до 20% добываемого в США угля, после Второй мировой войны были заменены тепловозами, что позволило сэкономить много энергии и сократить рабочую силу, необходимую для транспортировки угля, заправки котловой водой и технического обслуживания механизмов.
Повышение эффективности паровых двигателей привело к значительному увеличению числа паровых двигателей и количества используемого угля, как отметил Уильям Стэнли Джевонс в «Угольном вопросе» . Это называется парадоксом Джевонса .
Потребление электроэнергии и экономический рост тесно связаны. [29] Потребление электроэнергии на душу населения почти идеально коррелирует с экономическим развитием. [30] Электрификация была первой технологией, которая позволила передавать электроэнергию на большие расстояния с минимальными потерями мощности . [20] Электродвигатели устранили необходимость в линейных валах для распределения электроэнергии и значительно повысили производительность фабрик. Очень крупные центральные электростанции создали экономию масштаба и были намного более эффективны при 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 сети и пневматические и канатные системы. Линейные валы были распространенной формой передачи энергии на фабриках от самых первых промышленных паровых двигателей до электрификации фабрик. Линейные валы ограничивали заводскую компоновку и страдали от высоких потерь мощности. [20] Гидравлическая энергия вошла в употребление в середине 19-го века. Она широко использовалась в процессе Бессемера и для кранов в портах, особенно в Великобритании. В Лондоне и нескольких других городах были гидравлические коммунальные службы, которые обеспечивали водой под давлением промышленные предприятия на большой площади. [20]
Пневматическая энергия начала использоваться в промышленности, горнодобывающей промышленности и строительстве туннелей в последней четверти 19 века. Распространенными приложениями были буровые установки и отбойные молотки. [20] Проволочные канаты, поддерживаемые большими рифлеными колесами, могли передавать энергию с малыми потерями на расстояние в несколько миль или километров. Системы проволочных канатов появились незадолго до электрификации. [20]
Рекуперация тепла для промышленных процессов впервые широко использовалась в качестве горячего дутья в доменных печах для производства чугуна в 1828 году. Позднее повторное использование тепла включало процесс Сименса-Мартена, который впервые использовался для производства стекла, а затем для стали в мартеновской печи . (См.: Железо и сталь ниже). Сегодня тепло повторно используется во многих основных отраслях промышленности, таких как химическая, нефтеперерабатывающая и целлюлозно-бумажная, с использованием различных методов, таких как теплообменники во многих процессах. [32] Многокорпусные испарители используют пар из высокотемпературного эффекта для испарения жидкости с более низкой температурой кипения. При восстановлении химикатов для сульфатной варки целлюлозы отработанный черный щелок можно испарять пять или шесть раз, повторно используя пар из одного эффекта для кипячения щелока в предыдущем эффекте. Когенерация — это процесс, который использует пар высокого давления для выработки электроэнергии, а затем использует полученный пар низкого давления для технологического или строительного тепла.
Промышленные процессы претерпели многочисленные незначительные усовершенствования, которые в совокупности привели к значительному сокращению потребления энергии на единицу продукции.
Уменьшение трения было одной из главных причин успеха железных дорог по сравнению с вагонами. Это было продемонстрировано на деревянном трамвае, покрытом железными пластинами, в 1805 году в Кройдоне, Великобритания
«Хорошая лошадь на обычной платной дороге может тянуть две тысячи фунтов или одну тонну. Группа джентльменов была приглашена стать свидетелями эксперимента, чтобы наглядно продемонстрировать превосходство новой дороги. Двенадцать фургонов были загружены камнями, пока каждый не стал весить три тонны, и фургоны были скреплены вместе. Затем была прикреплена лошадь, которая с легкостью тянула фургоны шесть миль за два часа, останавливаясь четыре раза, чтобы показать, что она может тронуться с места, а также тянуть свой большой груз». [33]
Лучшая смазка, например, нефтяными маслами, снизила потери на трение на заводах и фабриках. [34] Антифрикционные подшипники были разработаны с использованием легированных сталей и методов точной обработки, доступных в последней четверти 19-го 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 до подшипников были в значительной степени ответственны за их высокие потери мощности, которые обычно составляли 25-30%, а часто и 50%. [20]
Электрические светильники были намного эффективнее масляных или газовых светильников и не создавали дыма, испарений и тепла. Электрический свет продлевал рабочий день, делая фабрики, предприятия и дома более производительными. Электрический свет не был такой пожароопасной вещью, как масляные или газовые светильники. [35]
Эффективность электрического освещения постоянно повышалась от первых ламп накаливания до ламп с вольфрамовой нитью накаливания. [36] Флуоресцентная лампа , которая стала коммерческой в конце 1930-х годов, намного эффективнее ламп накаливания. Светодиоды или LED очень эффективны и долговечны. [37]
Относительная энергия, необходимая для транспортировки тонно-километра для различных видов транспорта составляет: трубопроводный = 1 (базис), водный = 2, железнодорожный = 3, автомобильный = 10, воздушный = 100. [38]
Неулучшенные дороги были чрезвычайно медленными, дорогими для транспорта и опасными. [39] В 18 веке все чаще стали использовать слоистую гравийную крошку, а в начале 19 века начали использовать трехслойную щебенку . Эти дороги были увенчаны для отвода воды и имели дренажные канавы по бокам. [39] Верхний слой камней в конечном итоге измельчался до мелочей и несколько сглаживал поверхность. Нижние слои состояли из мелких камней, что обеспечивало хороший дренаж. [39] Важно то, что они оказывали меньшее сопротивление колесам фургонов, а копыта и ноги лошадей не вязли в грязи. Дорожки из досок также начали использоваться в США в 1810–1820 годах. Улучшенные дороги были дорогими, и хотя они сократили стоимость сухопутных перевозок вдвое или больше, их вскоре обогнали железные дороги как основная транспортная инфраструктура. [39]
Парусные суда могли перевозить грузы на расстояние более 3000 миль по стоимости 30 миль на повозке. [40] Лошадь, которая могла тянуть однотонную повозку, могла тянуть 30-тонную баржу. Во время Английской или Первой промышленной революции поставка угля в печи в Манчестере была затруднена из-за малого количества дорог и высокой стоимости использования повозок. Однако было известно, что баржи для каналов пригодны для использования, и это было продемонстрировано строительством канала Бриджуотер , который открылся в 1761 году и доставлял уголь 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 сухопутных перевозок. По оценкам, к 1890 году стоимость перевозки повозок составляла 24,5 цента США за тонно-милю против 0,875 цента за тонно-милю по железной дороге, т.е. снижение составило 96%. [41]
Электрические трамваи ( трамваи , троллейбусы или трамваи) находились на завершающем этапе строительства железных дорог с конца 1890-х и первых двух десятилетий 20-го века. Трамваи вскоре были вытеснены автобусами и автомобилями после 1920 года. [42]
Шоссе с транспортными средствами с двигателем внутреннего сгорания завершили механизацию наземного транспорта. Когда около 1920 года появились грузовики, стоимость перевозки сельскохозяйственных товаров на рынок или на железнодорожные станции значительно снизилась. Моторизованный транспорт также сократил запасы.
Высокий рост производительности труда в США в 1930-х годах во многом был обусловлен программой строительства автомагистралей того десятилетия. [43]
Трубопроводы являются наиболее энергоэффективным средством транспортировки. [38] Железные и стальные трубопроводы начали использоваться во второй половине 19 века, но стали основной инфраструктурой только в 20 веке. [39] [44] Центробежные насосы и центробежные компрессоры являются эффективными средствами перекачки жидкостей и природного газа.
Сеялка — это механическое устройство для размещения и посадки семян на соответствующей глубине. Она появилась в Древнем Китае до 1-го века до н. э. Экономия семян была чрезвычайно важна в то время, когда урожайность измерялась в терминах собранных семян на посаженное семя, что обычно составляло от 3 до 5. Сеялка также экономила труд при посадке. Самое главное, что сеялка означала, что культуры выращивались рядами, что уменьшало конкуренцию растений и увеличивало урожайность. Она была заново изобретена в Европе 16-го века на основе устных описаний и грубых рисунков, привезенных из Китая. [6] Джетро Талл запатентовал версию в 1700 году; однако она была дорогой и ненадежной. Надежные сеялки появились в середине 19-го века. [45]
С самого начала развития сельского хозяйства молотьба производилась вручную с помощью цепа , что требовало больших трудозатрат. Молотильная машина (ок. 1794 г.) упростила операцию и позволила использовать силу животных. К 1860-м годам молотильные машины получили широкое распространение и в конечном итоге вытеснили четверть сельскохозяйственных рабочих. [46] В Европе многие из уволенных рабочих оказались на грани голода.
До 1790 года рабочий мог собрать 1/4 акра в день с помощью косы . [26] В начале 1800-х годов была введена зерновая люлька , что значительно увеличило производительность ручного труда. Было подсчитано, что каждая из конных жаток Сайруса Маккормика (Ptd. 1834) освободила пять человек для военной службы в Гражданской войне в США. [47] К 1890 году два человека и две лошади могли срезать, сгребать и связывать 20 акров пшеницы в день. [26] В 1880-х годах жатка и молотилка были объединены в комбайн . Эти машины требовали больших упряжек лошадей или мулов для тяги. За весь 19-й век производительность на человека в час при производстве 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 сельскохозяйственной механизации на двигатели внутреннего сгорания начался после 1915 года. Поголовье лошадей начало сокращаться в 1920-х годах после перехода сельского хозяйства и транспорта на двигатели внутреннего сгорания. [49] Помимо экономии рабочей силы, это освободило много земель, ранее использовавшихся для содержания тягловых животных.
Пик продаж тракторов в США пришелся на 1950-е годы. [49] В 1950-х годах наблюдался большой всплеск мощности сельскохозяйственной техники.
Самыми важными механическими устройствами до промышленной революции были водяные и ветряные мельницы. Водяные колеса появились во времена Римской империи, а ветряные мельницы — несколько позже. Энергия воды и ветра сначала использовалась для измельчения зерна в муку, но позже была адаптирована для приведения в действие отбойных молотков для измельчения тряпок в пульпу для производства бумаги и для дробления руды. Незадолго до промышленной революции энергия воды применялась в мехах для выплавки железа в Европе. (Водяные воздуходувные мехи использовались в Древнем Китае.) 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 достижений, предшествовавших промышленной революции, была чулочная машина (ткацкий станок) около 1589 года. Позже в ходе промышленной революции появился летающий челнок , простое устройство, которое удвоило производительность ткачества. Прядильная нить была ограничивающим фактором в производстве ткани, требуя 10 прядильщиков, использующих прялку для снабжения одного ткача. С прялкой Дженни прядильщик мог прясть восемь нитей одновременно. Водяная машина (Ptd. 1768) адаптировала силу воды к прядению, но она могла прясть только одну нить за раз. Водяная машина была проста в эксплуатации, и многие из них могли быть расположены в одном здании. Прядильная машина ( 1779) позволяла прясть большое количество нитей на одной машине с использованием силы воды. Изменение потребительских предпочтений в отношении хлопка во время увеличения производства ткани привело к изобретению хлопкоочистительной машины (Ptd. 1794). Паровая энергия в конечном итоге использовалась как дополнение к воде во время промышленной революции, и обе использовались до электрификации. График производительности прядильных технологий можно найти в Ayres (1989), наряду со многими другими данными, связанными с этой статьей. [51]
С помощью хлопкоочистительной машины (1792) за один день мужчина мог извлечь семена из такого количества хлопка, выращиваемого на возвышенностях, на обработку которого раньше у женщины уходило два месяца работы со скоростью один фунт в день с использованием вальцовой хлопкоочистительной машины. [52] [53]
Ранним примером значительного увеличения производительности с помощью специальных машин является Portsmouth Block Mills 1803 года . С этими машинами 10 человек могли производить столько же блоков, сколько 110 квалифицированных мастеров. [38]
В 1830-х годах несколько технологий объединились, чтобы сделать важный сдвиг в деревянном строительстве. Циркулярная пила (1777), гвоздильные станки (1794) и паровой двигатель позволили эффективно производить тонкие куски древесины, такие как 2"×4", а затем скреплять их вместе в то, что стало известно как каркасное строительство (1832). Это было началом упадка древнего метода строительства деревянных каркасов с использованием деревянных столярных изделий. [54]
Вслед за механизацией в текстильной промышленности последовала механизация обувной промышленности. [55]
Швейная машина , изобретенная и усовершенствованная в начале 19 века и производившаяся в больших количествах к 1870-м годам, увеличила производительность более чем на 500%. [56] Швейная машина была важным инструментом повышения производительности для механизированного производства обуви.
Благодаря широкому распространению станков, усовершенствованных паровых двигателей и недорогому транспорту, предоставляемому железными дорогами, к последней четверти XIX века машиностроение стало крупнейшим сектором (по добавленной прибыли) экономики США, что привело к индустриальной экономике. [57]
Первая коммерчески успешная машина для выдувания стеклянных бутылок была представлена в 1905 году. [58] Машина, которой управляла бригада из двух человек, работавшая по 12-часовым сменам, могла производить 17 280 бутылок за 24 часа, по сравнению с 2 880 бутылками, которые производила бригада из шести мужчин и мальчиков, работавших в магазине в течение дня. Стоимость изготовления бутылок машиной составляла 10–12 центов за валовую продукцию по сравнению с 1,80 долларами за валовую продукцию, которую производили вручную стеклодувы и помощники.
Станки , которые режут, шлифуют и придают форму металлическим деталям, были еще одним важным механическим новшеством промышленной революции. До появления станков изготовление точных деталей было непомерно дорогим, что было необходимым требованием для многих машин и сменных деталей . Исторически важными станками являются токарно-винторезный станок , фрезерный станок и строгальный станок по металлу (металлообработка) , которые все вошли в употребление между 1800 и 1840 годами. [52] Однако около 1900 года именно сочетание небольших электродвигателей, специальных сталей и новых режущих и шлифовальных материалов позволило станкам массово производить стальные детали. [17] Для производства Ford Model T требовалось 32 000 станков. [47]
Современное производство началось около 1900 года, когда машины, работающие на электрической, гидравлической и пневматической энергии, начали заменять ручные методы в промышленности. [59] Ранним примером является автоматическая машина для выдувания стеклянных бутылок Owens , которая сократила трудозатраты при изготовлении бутылок более чем на 80%. [60] См. также: Массовое производство#Электрификация фабрик
Крупные горнодобывающие машины, такие как паровые экскаваторы, появились в середине девятнадцатого века, но были ограничены рельсами до широкого внедрения непрерывных путей и пневматических шин в конце девятнадцатого и начале двадцатого веков. До тех пор большая часть горнодобывающих работ в основном выполнялась с помощью пневматических дрелей, отбойных молотков, кирок и лопат. [61]
Машины для подрезки угольных пластов появились около 1890 года и к 1934 году использовались для добычи 75% угля. Погрузка угля все еще производилась вручную лопатами около 1930 года, но начали использоваться механические подъемно-погрузочные машины. [59] Использование угольных буровых машин 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 более механизированным и даже автоматизированным методам добычи полезных ископаемых . [63]
Системы обработки сыпучих материалов используют разнообразное стационарное оборудование, такое как конвейеры, штабелеукладчики, реклаймеры, а также мобильное оборудование, такое как экскаваторы и погрузчики, для обработки больших объемов руды, угля, зерна, песка, гравия, щебня и т. д. Системы обработки сыпучих материалов используются на шахтах, для погрузки и разгрузки судов и на заводах, перерабатывающих сыпучие материалы в готовую продукцию, например, на сталелитейных и бумажных фабриках.
Механические кочерги 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 коммунального назначения в 1921 году. [59]
Жидкости и газы перекачиваются с помощью центробежных насосов и компрессоров соответственно.
Переход на механизированную погрузочно-разгрузочную технику увеличился во время Первой мировой войны, поскольку возникла нехватка неквалифицированной рабочей силы и заработная плата неквалифицированных рабочих выросла по сравнению с квалифицированными. [59]
Заслуживающим внимания примером использования конвейеров стала автоматическая мельница Оливера Эванса, построенная в 1785 году. [47]
Около 1900 года различные типы конвейеров ( ленточные , пластинчатые, ковшовые, винтовые или шнековые), мостовые краны и промышленные тележки начали использоваться для перемещения материалов и товаров на различных этапах производства на фабриках. См.: Типы конвейерных систем . и массовое производство .
Хорошо известным применением конвейеров является сборочная линия Ford. Motor Co. (около 1913 г.), хотя Ford использовал различные промышленные грузовики, мостовые краны, салазки и любые устройства, необходимые для минимизации труда при перемещении деталей в различных частях завода. [47]
Краны — это древняя технология, но они получили широкое распространение после промышленной революции. Промышленные краны использовались для перемещения тяжелой техники на заводе Nasmyth, Gaskell and Company (литейный завод Bridgewater) в конце 1830-х годов. [64] Гидравлические краны стали широко использоваться в конце 19 века, особенно в британских портах. В некоторых городах, таких как Лондон, были коммунальные гидравлические сети для питания. Паровые краны также использовались в конце 19 века. Электрические краны, особенно мостового типа, были введены на фабриках в конце 19 века. [35] Паровые краны обычно ограничивались рельсами. [65] Непрерывный путь (гусеничный ход) был разработан в конце 19 века.
Важнейшие категории кранов :
В начале 20 века использовались электрические краны и моторизованные мобильные погрузчики, такие как вилочные погрузчики. Сегодня немассовые грузы перевозятся в контейнерах .
Обработка товаров на поддонах была значительным улучшением по сравнению с использованием ручных тележек или переноской мешков или коробок вручную и значительно ускорила погрузку и разгрузку грузовиков, железнодорожных вагонов и судов. Поддоны можно обрабатывать 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 загружаться и разгружаться на той же высоте, что и пол склада.
Piggyback — это транспортировка прицепов или целых грузовиков на железнодорожных вагонах, что является более экономичным способом доставки и экономит погрузку, разгрузку и сортировку. Вагоны перевозились на железнодорожных вагонах в 19 веке, с лошадьми в отдельных вагонах. Прицепы начали перевозить на железнодорожных вагонах в США в 1956 году. [66] Piggyback составлял 1% от грузоперевозок в 1958 году, увеличившись до 15% в 1986 году. [67]
Погрузка или выгрузка навалочных грузов на суда и с судов обычно занимала несколько дней. Это была напряженная и довольно опасная работа. Убытки от повреждений и краж были высокими. Работа была нерегулярной, и большинство грузчиков имели много неоплачиваемого простоя. Сортировка и отслеживание навалочных грузов также отнимали много времени, а хранение их на складах связывало капитал. [66]
Порты старого типа со складами были перегружены, и во многих из них отсутствовала эффективная транспортная инфраструктура, что увеличивало расходы и задержки в порту. [66]
При обработке грузов в стандартизированных контейнерах на разделенных на отсеки судах, как правило, загрузка или разгрузка может быть выполнена за один день. Контейнеры могут быть заполнены более эффективно, чем навалочные грузы, поскольку контейнеры могут быть сложены в несколько ярусов, что удваивает грузоподъемность для судна заданного размера. [66]
Погрузка и разгрузка контейнеров — это всего лишь часть работы по разгрузке, а повреждения и кражи происходят гораздо реже. Кроме того, многие товары, отправляемые в контейнерах, требуют меньше упаковки. [66]
Контейнеризация с небольшими ящиками использовалась в обеих мировых войнах, особенно во Второй мировой войне, но стала коммерческой в конце 1950-х годов. [66] Контейнеризация оставила большое количество складов на причалах в портовых городах пустыми, освободив землю для другого развития. См. также: Интермодальные грузовые перевозки
До появления фабричной системы большая часть производства осуществлялась в домашних хозяйствах, например, прядение и ткачество, и предназначалась для потребления домохозяйств. [68] [69] Это было отчасти связано с отсутствием транспортной инфраструктуры, особенно в Америке. [70]
Разделение труда практиковалось в древности, но стало все более специализированным во время промышленной революции, так что вместо того, чтобы сапожник раскраивал кожу в ходе изготовления обуви, рабочий ничего не делал, кроме как раскраивал кожу. [21] [55] В известном примере Адама Смита о фабрике по производству булавок рабочие, выполнявшие каждый отдельную задачу, были гораздо более производительны, чем ремесленник, изготавливающий целую булавку.
Начиная с доиндустриальной революции и продолжаясь в ней, большая часть работы передавалась на субподряд в рамках системы выдачи (также называемой домашней системой), при которой работа выполнялась дома. Выдача работы включала прядение, ткачество, резку кожи и, реже, специальные предметы, такие как детали огнестрельного оружия. Торговые капиталисты или мастера-ремесленники обычно предоставляли материалы и собирали заготовки, которые превращались в готовый продукт в центральной мастерской. [47] [21] [55]
Во время промышленной революции большая часть производства осуществлялась в мастерских, которые обычно располагались в задней части или на верхнем уровне того же здания, где продавались готовые товары. В этих мастерских использовались инструменты, а иногда и простые машины, которые обычно приводились в движение руками или животными. Мастер-ремесленник, бригадир или торговый капиталист контролировали работу и поддерживали качество. Мастерские росли в размерах, но были вытеснены фабричной системой в начале 19 века. В рамках фабричной системы капиталисты нанимали рабочих и предоставляли здания, машины и расходные материалы, а также занимались продажей готовой продукции. [47]
Изменения в традиционных рабочих процессах, которые были сделаны после анализа работы и придания ей большей систематичности, значительно увеличили производительность труда и капитала. Это был переход от европейской системы мастерства, где мастер изготавливал целое изделие, к американской системе производства , которая использовала специальные машины и станки, которые делали детали с точностью, чтобы быть взаимозаменяемыми . Процесс потребовал десятилетий, чтобы усовершенствовать его с большими затратами, потому что взаимозаменяемые детали были более дорогими поначалу. Взаимозаменяемые детали были получены с помощью приспособлений для удержания и точного выравнивания обрабатываемых деталей, шаблонов 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 одного наилучшего метода, система стала известна как тейлоризм в честь Фредерика Уинслоу Тейлора , который является самым известным разработчиком 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 к взаимозаменяемым деталям , но также была облегчена железнодорожной промышленностью и товарами массового производства . [47] [73] Стандартизация железнодорожной колеи и стандарты для железнодорожных вагонов позволили объединить железные дороги. Железнодорожное время формализовало часовые пояса. Промышленные стандарты включали размеры винтов и резьбы, а позже и электрические стандарты. Стандарты для транспортных контейнеров были свободно приняты в конце 1960-х годов и официально приняты около 1970 года. [66] Сегодня существует огромное количество технических стандартов . Коммерческие стандарты включают такие вещи, как размеры кроватей. Архитектурные стандарты охватывают многочисленные размеры, включая лестницы, двери, высоту прилавков и другие конструкции, чтобы сделать здания безопасными, функциональными и в некоторых случаях допускающими определенную степень взаимозаменяемости.
Электрификация позволила разместить машины, такие как станки, в систематическом порядке вдоль потока работы. Электрификация была практическим способом моторизации конвейеров для передачи деталей и узлов рабочим, что было ключевым шагом, ведущим к массовому производству и сборочной линии . [20]
Деловое администрирование, которое включает в себя методы управления и системы бухгалтерского учета, является еще одной важной формой рабочих практик. По мере роста размеров предприятий во второй половине 19 века они начали организовываться по отделам и управляться профессиональными менеджерами, а не индивидуальными предпринимателями или партнерами. [74] [ нужна страница ]
Бизнес-администрирование, каким мы его знаем, было разработано железнодорожниками, которым приходилось следить за движением поездов, вагонов, оборудования, персонала и грузов на больших территориях. [74]
Современное коммерческое предприятие (MBE) — это организация и управление предприятиями, особенно крупными. [75] MBE нанимают профессионалов, которые используют методы, основанные на знаниях, в таких областях, как инжиниринг, исследования и разработки, информационные технологии, деловое администрирование, финансы и бухгалтерский учет. MBE обычно извлекают выгоду из экономии за счет масштаба.
«До появления бухгалтерского учета на железной дороге мы были кротами, роющими норы в темноте». [76] Эндрю Карнеги
Непрерывное производство — это метод, при котором процесс работает без перерыва в течение длительных периодов, возможно, даже лет. Непрерывное производство началось с доменных печей в древние времена и стало популярным в механизированных процессах после изобретения бумагоделательной машины Фурдринье во время промышленной революции, которая послужила вдохновением для непрерывной прокатки. [77] Он начал широко использоваться в химической и нефтеперерабатывающей промышленности в конце девятнадцатого и начале двадцатого веков. Позднее он был применен для прямого литья полосы стали и других металлов.
Ранние паровые двигатели не обеспечивали достаточной мощности при постоянной нагрузке для многих непрерывных применений, начиная от прядения хлопка и заканчивая прокатными станами, ограничивая их источник энергии водой. Достижения в области паровых двигателей, такие как паровая машина Корлисса , и развитие теории управления привели к более постоянным скоростям двигателя, что сделало паровую энергию полезной для таких чувствительных задач, как прядение хлопка. Двигатели переменного тока, которые работают с постоянной скоростью даже при колебаниях нагрузки, хорошо подходили для таких процессов.
Потери сельскохозяйственной продукции из-за порчи, насекомых и крыс внесли большой вклад в производительность. Много сена, хранившегося на открытом воздухе, было потеряно из-за порчи до того, как хранение в помещении или какие-либо средства покрытия стали обычным делом. Пастеризация молока позволила перевозить его по железной дороге. [26]
Содержание скота в помещении зимой снижает количество необходимого корма. Кроме того, кормление измельченным сеном и молотым зерном, особенно кукурузой (маисом), как было обнаружено, улучшает усвояемость. [26] Количество корма, необходимое для производства одного килограмма живой массы цыпленка, сократилось с 5 в 1930 году до 2 к концу 1990-х годов, а необходимое время сократилось с трех месяцев до шести недель. [17]
Зеленая революция увеличила урожайность сои в 3 раза, а кукурузы (маиса), пшеницы, риса и некоторых других культур — в 4–5 раз. Используя данные по кукурузе (маису) в США, урожайность увеличилась примерно на 1,7 бушеля с акра с начала 1940-х годов до первого десятилетия 21-го века, когда была выражена обеспокоенность по поводу достижения пределов фотосинтеза. Из-за постоянного характера роста урожайности ежегодный процентный прирост снизился с более чем 5% в 1940-х годах до 1% сегодня, поэтому, хотя урожайность некоторое время опережала рост населения, сейчас рост урожайности отстает от роста населения.
Высокая урожайность была бы невозможна без значительного применения удобрений, [79] [ нужен лучший источник ] в частности азотных удобрений, которые стали доступны благодаря аммиачному процессу Габера-Боша . [80] Азотные удобрения применяются во многих частях Азии в количествах, подверженных убывающей отдаче, [80] что, однако, все еще дает небольшое увеличение урожайности. Урожаи в Африке в целом испытывают нехватку NPK, а большая часть почв мира испытывает дефицит цинка, что приводит к дефициту 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 уделялось мало внимания по сравнению с ее важностью как фактора производительности современными экономистами, хотя она была важна в классической экономике. Однако более высокая урожайность эффективно умножила количество земли.
Процесс изготовления чугуна был известен до 3-го века нашей эры в Китае. [81] Производство чугуна достигло Европы в 14-м веке и Британии около 1500 года. Чугун был полезен для литья в горшки и другие орудия, но был слишком хрупким для изготовления большинства инструментов. Однако чугун имел более низкую температуру плавления, чем кованое железо, и его было намного легче производить с помощью примитивной технологии. [82] Кованое железо было материалом, используемым для изготовления многих предметов оборудования, инструментов и других орудий. До того, как чугун начали производить в Европе, кованое железо изготавливалось небольшими партиями с помощью процесса кричной плавки , который никогда не использовался в Китае. [81] Кованое железо можно было сделать из чугуна дешевле, чем с помощью кричной плавки.
Недорогим процессом изготовления высококачественного кованого железа было пудлингование , которое стало широко распространено после 1800 года. [83] Пудлингование включало перемешивание расплавленного чугуна до тех пор, пока небольшие шарики не обезуглероживались в достаточной степени, чтобы сформировать шарики горячего кованого железа, которые затем удалялись и ковались в формы. Пудлингование было чрезвычайно трудоемким. Пудлингование использовалось до введения бессемеровского и мартеновского процессов в середине и конце 19 века соответственно. [21]
Черновая сталь изготавливалась из кованого железа путем упаковки кованого железа в древесный уголь и нагревания в течение нескольких дней. См.: Процесс цементации Черновую сталь можно было нагревать и ковать вместе с кованым железом, чтобы получить сталь для сдвига, которая использовалась для режущих кромок, таких как ножницы, ножи и топоры. Сталь для сдвига была неоднородного качества, и для производства часовых пружин, популярного предмета роскоши в 18 веке, требовался лучший процесс. Успешным процессом стала тигельная сталь , которая изготавливалась путем плавления кованого железа и черновой стали в тигле. [21] [28]
Производство стали и других металлов было затруднено из-за сложности получения достаточно высоких температур для плавки. Понимание термодинамических принципов, таких как повторное улавливание тепла из дымовых газов путем предварительного нагрева воздуха для горения, известного как горячее дутье , привело к гораздо более высокой энергоэффективности и более высоким температурам. Предварительно нагретый воздух для горения использовался в производстве чугуна и в мартеновской печи . В 1780 году, до введения горячего дутья в 1829 году, требовалось в семь раз больше кокса, чем вес готового чугуна. [84] Центридж кокса на короткую тонну чугуна составлял 35 в 1900 году, снизившись до 13 в 1950 году. К 1970 году самые эффективные доменные печи использовали 10 центридж кокса на короткую тонну чугуна. [27]
Сталь имеет гораздо большую прочность, чем кованое железо , и позволяет строить мосты с длинными пролетами, высотные здания, автомобили и другие предметы. Сталь также делала превосходные резьбовые крепежи (винты, гайки, болты), гвозди, проволоку и другие предметы оборудования. Стальные рельсы служили более чем в 10 раз дольше, чем рельсы из кованого железа . [85]
Процессы Бессемера и мартеновского производства были намного эффективнее, чем производство стали методом пудлингования , поскольку они использовали углерод в чугуне в качестве источника тепла. Процессы Бессемера (запатентован в 1855 году) и Сименса-Мартина (ок. 1865 года) значительно снизили себестоимость стали . К концу 19 века «базовый» процесс Гилчирста-Томаса снизил себестоимость продукции на 90% по сравнению с процессом пудлингования 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 даже более твердые материалы были важным компонентом массового производства автомобилей. [87]
Некоторые из наиболее важных специальных материалов — лопатки паровых и газовых турбин , которые должны выдерживать экстремальные механические нагрузки и высокие температуры. [28]
Размеры доменных печей значительно выросли в течение 20-го века, и появились такие инновации, как дополнительная рекуперация тепла и пылевидный уголь, которые заменили кокс и повысили энергоэффективность. [88]
Бессемеровская сталь со временем становилась хрупкой, поскольку при вдувании воздуха в нее попадал азот. [89] Бессемеровский процесс также ограничивался определенными рудами (низкофосфатный гематит). К концу 19 века бессемеровский процесс был вытеснен мартеновской печью (OHF). После Второй мировой войны OHF был вытеснен кислородным конвертером (BOF), который использовал кислород вместо воздуха и требовал около 35–40 минут для производства партии стали по сравнению с 8–9 часами для OHF. BOF также был более энергоэффективным. [88]
К 1913 году 80% стали производилось из расплавленного чугуна непосредственно из доменной печи, что исключило этап литья «чушек» (слитков) и переплавки. [59]
Непрерывный широкополосный прокатный стан, разработанный ARMCO в 1928 году, был самым важным достижением в сталелитейной промышленности в межвоенные годы. [90] Непрерывная широкополосная прокатка началась с толстого, грубого слитка. Она производила более гладкий лист с более равномерной толщиной, который был лучше для штамповки и давал красивую окрашенную поверхность. Она была хороша для автомобильной стали и бытовой техники. Она использовала только часть труда прерывистого процесса и была безопаснее, поскольку не требовала непрерывной обработки. Непрерывная прокатка стала возможной благодаря улучшенному секционному управлению скоростью: См.: Автоматизация, управление процессами и сервомеханизмы
После 1950 года непрерывное литье способствовало повышению производительности преобразования стали в конструкционные профили, устраняя прерывистый этап изготовления слябов, заготовок (квадратного сечения) или блюмов (прямоугольных), которые затем обычно приходилось повторно нагревать перед прокаткой в формы. [24] Литье тонких слябов, представленное в 1989 году, сократило трудозатраты до менее одного часа на тонну. Непрерывное литье тонких слябов и кислородно-конвертерный метод стали стали были двумя наиболее важными достижениями в области производительности в сталелитейном производстве 20-го века. [91]
В результате этих инноваций в период с 1920 по 2000 год потребность в рабочей силе в сталелитейной промышленности сократилась в 1000 раз: с более чем 3 рабочих часов на тонну до всего лишь 0,003. [24]
Соединения натрия: карбонат, бикарбонат и гидроксид — важные промышленные химикаты, используемые в таких важных продуктах, как изготовление стекла и мыла. До изобретения процесса Леблана в 1791 году карбонат натрия производился с большими затратами из золы морских водорослей и растения барилла . Процесс Леблана был заменен процессом Сольве , начиная с 1860-х годов. С широкой доступностью недорогой электроэнергии много натрия производится вместе с хлором с помощью электрохимических процессов. [21]
Цемент — связующее вещество для бетона , который является одним из наиболее широко используемых строительных материалов сегодня из-за его низкой стоимости, универсальности и долговечности. Портландцемент , который был изобретен в 1824–1825 годах, производится путем обжига известняка и других природных минералов в печи . [92] Большим достижением стало усовершенствование вращающихся цементных печей в 1890-х годах, этот метод используется и сегодня. [93] Железобетон, который подходит для конструкций, начал использоваться в начале 20-го века. [94]
Бумага изготавливалась по одному листу за раз вручную до изобретения бумагоделательной машины Фурдринье (ок. 1801 г.), которая делала непрерывный лист. Производство бумаги было серьезно ограничено поставками хлопчатобумажных и льняных тряпок со времени изобретения печатного станка до разработки древесной массы (ок. 1850-х гг.) в ответ на нехватку тряпок. [4] Сульфитный процесс изготовления древесной массы начал работать в Швеции в 1874 г. Бумага, изготовленная из сульфитной целлюлозы, имела превосходные прочностные свойства, чем ранее используемая молотая древесная масса (ок. 1840 г.). [95] Процесс варки крафт- целлюлозы (швед. « прочный ») был коммерциализирован в 1930-х годах. Химикаты для варки целлюлозы извлекаются и перерабатываются внутри крафт-процесса, что также экономит энергию и снижает загрязнение окружающей среды. [95] [96] Крафт- картон — это материал, из которого изготавливаются внешние слои гофрированных коробок. До появления гофрированных коробок Kraft упаковка состояла из низкокачественных бумажных и картонных коробок, а также деревянных коробок и ящиков. Гофрированные коробки требуют гораздо меньше труда для производства, чем деревянные коробки, и обеспечивают хорошую защиту их содержимого. [95] Транспортные контейнеры снижают потребность в упаковке. [66]
Вулканизированная резина сделала возможным создание пневматических шин, что, в свою очередь, позволило разработать дорожные и внедорожные транспортные средства, какими мы их знаем. Синтетический каучук стал важным во время Второй мировой войны, когда поставки натурального каучука были прекращены.
Резина послужила основой для создания класса химических веществ, известных как эластомеры , некоторые из которых используются сами по себе или в смесях с резиной и другими соединениями для изготовления уплотнений и прокладок, амортизирующих бамперов и множества других применений.
Пластмассы можно без больших затрат перерабатывать в предметы повседневного спроса, что значительно снизило 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 нефтяные резервуары. Это было большим улучшением по сравнению с предыдущими методами, которые в основном зависели от удачи и хорошего знания геологии, хотя удача продолжала играть важную роль в нескольких крупных открытиях. Роторное бурение было более быстрым и эффективным способом бурения нефтяных и водяных скважин. Оно стало популярным после того, как было использовано для первоначального открытия месторождения Восточный Техас в 1930 году.
Было разработано множество новых твердых материалов для режущих кромок, например, при обработке. Сталь Mushet , разработанная в 1868 году, была предшественником быстрорежущей стали , разработанной группой под руководством Фредерика Уинслоу Тейлора в Bethlehem Steel Company около 1900 года. [71] Быстрорежущая сталь сохраняла свою твердость даже при раскалке докрасна. За ней последовал ряд современных сплавов.
С 1935 по 1955 годы скорость резания при механической обработке увеличилась с 120–200 футов/мин до 1000 футов/мин за счет использования более твердых режущих кромок, что привело к снижению затрат на механическую обработку на 75%. [97]
Одним из важнейших 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 сократилось примерно на 60% с 1900 года. В Японии сокращение составило 40% с 1973 года. [98]
Дематериализация стала возможной благодаря замене лучшими материалами и инженерным решениям для снижения веса при сохранении функциональности. Современными примерами являются пластиковые контейнеры для напитков, заменяющие стекло и картон, пластиковая термоусадочная пленка, используемая при доставке, и легкие пластиковые упаковочные материалы. Дематериализация происходит в сталелитейной промышленности США, где пик потребления пришелся на 1973 год как в абсолютном выражении, так и на душу населения. [88] В то же время потребление стали на душу населения во всем мире росло за счет аутсорсинга производства в развивающиеся страны. [99] [ сомнительно – обсудить ] Совокупный мировой ВВП или богатство выросли 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 ограничивает дематериализацию. [102]
Телеграф появился примерно в начале эпохи железных дорог, и железные дороги обычно устанавливали телеграфные линии вдоль своих маршрутов 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]
Первоначально телефоны использовались в основном для бизнеса. Ежемесячное обслуживание стоило около трети среднего заработка рабочего. [24] Телефон вместе с грузовиками и новыми дорожными сетями позволили предприятиям резко сократить запасы в 1920-х годах. [51]
Телефонные звонки обрабатывались операторами с помощью коммутаторов до тех пор, пока в 1892 году не был введен автоматический коммутатор. К 1929 году 31,9% системы Bell были автоматическими. [59]
Первоначально автоматическое телефонное переключение использовало электромеханические переключатели, управляемые вакуумными ламповыми устройствами, которые потребляли большое количество электроэнергии. Объем звонков в конечном итоге рос так быстро, что возникли опасения, что телефонная система потребит всю вырабатываемую электроэнергию, что побудило Bell Labs начать исследования транзистора . [ 105]
После Второй мировой войны микроволновая передача стала использоваться для междугородней телефонной связи и передачи телевизионных программ на местные станции для ретрансляции.
Распространение телефонии в домохозяйствах достигло зрелости с появлением волоконно-оптической связи в конце 1970-х годов. Волоконно-оптические кабели значительно увеличили пропускную способность передачи информации по сравнению с предыдущими медными проводами и еще больше снизили стоимость дальней связи. [106]
Спутники связи начали использоваться в 1960-х годах и сегодня переносят разнообразную информацию, включая данные о транзакциях по кредитным картам, радио, телевидении и телефонных звонках. [103] Глобальная система позиционирования (GPS) работает на сигналах со спутников.
Факсимильные аппараты (сокращение от факсимиле) различных типов существовали с начала 1900-х годов, но получили широкое распространение с середины 1970-х годов.
До того, как водопровод стал поставляться в домохозяйства, кому-то приходилось ежегодно доставлять до 10 000 галлонов воды в среднестатистическое домохозяйство. [107]
Природный газ начал поступать в домохозяйства в конце XIX века.
Бытовая техника последовала за электрификацией домохозяйств в 1920-х годах, когда потребители покупали электрические плиты, тостеры, холодильники и стиральные машины. В результате появления бытовой техники и полуфабрикатов время, затрачиваемое на приготовление пищи и уборку, стирку и уборку, сократилось с 58 часов в неделю в 1900 году до 18 часов в неделю к 1975 году. Сокращение времени, затрачиваемого на домашнюю работу, 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 контроллером и компьютерное управление. Обычные приложения автоматизации — управление температурой, потоком и давлением. Автоматическое управление скоростью важно во многих промышленных приложениях, особенно в секционных приводах, таких как металлопрокат и сушка бумаги. [109]
Самыми ранними применениями управления процессами были механизмы, которые регулировали зазор между жерновами для помола зерна и для поддержания ветряных мельниц лицом к ветру. Центробежный регулятор, используемый для регулировки жерновов, был скопирован Джеймсом Уаттом для управления скоростью паровых двигателей в ответ на изменения тепловой нагрузки на котел; однако, если нагрузка на двигатель изменялась, регулятор только поддерживал постоянную скорость на новом уровне. Потребовалось много работы по разработке, чтобы достичь степени устойчивости, необходимой для работы текстильных машин. [110] [ нужна страница ] Математический анализ теории управления был впервые разработан Джеймсом Клерком Максвеллом . Теория управления была разработана до своей «классической» формы к 1950-м годам. [111] См.: Теория управления#История
Электрификация фабрики принесла простые электрические элементы управления, такие как релейная логика , где кнопки могли использоваться для активации реле , чтобы включить пускатели двигателей. Другие элементы управления, такие как блокировки, таймеры и концевые выключатели, могли быть добавлены в цепь.
Сегодня автоматизация обычно относится к управлению с обратной связью. Примером может служить круиз-контроль в автомобиле, который применяет непрерывную коррекцию, когда датчик на контролируемой переменной (скорость в данном примере) отклоняется от заданного значения, и может реагировать корректирующим образом, чтобы удерживать настройку. Управление процессами является обычной формой автоматизации, которая позволяет управлять промышленными операциями, такими как нефтеперерабатывающие заводы, паровые электростанции, вырабатывающие электроэнергию, или бумажные фабрики, с минимальным количеством рабочей силы, как правило, из нескольких диспетчерских.
Потребность в контрольно-измерительных приборах росла с быстрым ростом центральных электростанций после Первой мировой войны. Контрольно-измерительные приборы также были важны для печей термообработки, химических заводов и нефтеперерабатывающих заводов. Обычные контрольно-измерительные приборы были для измерения температуры, давления или расхода. Показания обычно записывались на круговых диаграммах или ленточных диаграммах. До 1930-х годов управление обычно было «открытым контуром», что означало, что оно не использовало обратную связь. Операторы выполняли различные регулировки, например, поворачивая ручки на клапанах. [111] Если это делалось из диспетчерской, сообщение можно было отправить оператору на заводе с помощью цветного кода света, давая ему знать, следует ли увеличивать или уменьшать то, что контролируется. Сигнальные лампы управлялись распределительным щитом, который вскоре стал автоматизированным. [112] Автоматическое управление стало возможным с контроллером обратной связи, который считывал измеряемую переменную, измерял отклонение от заданного значения и, возможно, скорость изменения и величину отклонения, взвешенную по времени, сравнивал это с заданным значением и автоматически применял рассчитанную корректировку. Автономный контроллер может использовать комбинацию механических, пневматических, гидравлических или электронных аналогов для управления контролируемым устройством. После разработки электронных средств управления возникла тенденция к использованию электронных средств управления, однако сегодня вместо отдельных контроллеров все чаще используют компьютер.
К концу 1930-х годов управление с обратной связью получило широкое распространение. [111] Управление с обратной связью было важной технологией для непрерывного производства .
Автоматизация телефонной системы позволила набирать местные номера вместо звонков через оператора. Дальнейшая автоматизация позволила звонящим совершать междугородние звонки прямым набором . В конце концов почти все операторы были заменены автоматикой.
В 1950-х годах станки были автоматизированы с помощью числового программного управления (ЧПУ). Вскоре это превратилось в компьютеризированное числовое управление (ЧПУ).
Сервомеханизмы обычно являются устройствами управления положением или скоростью, которые используют обратную связь. Понимание этих устройств рассматривается в теории управления . Теория управления была успешно применена для управления судами в 1890-х годах, но после столкновения с сопротивлением персонала она не была широко внедрена для этого приложения до окончания Первой мировой войны. Сервомеханизмы чрезвычайно важны для обеспечения автоматического управления устойчивостью самолетов и в самых разных промышленных приложениях.
Промышленные роботы использовались в ограниченных масштабах с 1960-х годов, но начали свою фазу быстрого роста в середине 1980-х годов после широкого распространения 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 табуляторные машины , отверстия в картах позволяли электрическому контакту увеличивать электронные счетчики. Табуляторные машины относились к категории, называемой оборудованием для единичной записи , через которое поток перфокарт организовывался в программно-подобной последовательности, что позволяло выполнять сложную обработку данных. Оборудование для единичной записи широко использовалось до появления компьютеров.
Полезность табуляторных машин была продемонстрирована при составлении переписи населения США 1890 года, что позволило провести перепись менее чем за год и со значительной экономией рабочей силы по сравнению с предполагаемыми 13 годами при предыдущем ручном методе. [113]
Первые цифровые компьютеры были более производительными, чем табуляторные машины, но не намного. Ранние компьютеры использовали тысячи электронных ламп (термоэлектронных вентилей), которые потребляли много электроэнергии и постоянно нуждались в замене. К 1950-м годам электронные лампы были заменены транзисторами , которые были намного более надежными и потребляли относительно мало электроэнергии. К 1960-м годам тысячи транзисторов и других электронных компонентов могли быть изготовлены на кремниевой полупроводниковой пластине в виде интегральных схем , которые повсеместно используются в современных компьютерах.
До 1980-х годов компьютеры использовали перфокарты и перфокарты для ввода данных и программирования. Тогда еще было принято получать ежемесячные счета за коммунальные услуги, распечатанные на перфокарте, которая возвращалась вместе с платежом клиента.
В 1973 году IBM представила терминалы точек продаж (POS), в которых электронные кассовые аппараты были подключены к главному компьютеру магазина. К 1980-м годам были добавлены считыватели штрих-кодов . Эти технологии автоматизировали управление запасами. Wal-Mart был одним из первых, кто принял POS. Бюро статистики труда подсчитало, что сканеры штрих-кодов на кассах увеличили скорость звонка на 30% и сократили трудозатраты кассиров и упаковщиков на 10–15%. [114]
Хранение данных стало лучше организовано после разработки программного обеспечения реляционных баз данных , которое позволило хранить данные в разных таблицах. Например, у теоретической авиакомпании может быть множество таблиц, таких как: самолеты, сотрудники, подрядчики по техническому обслуживанию, поставщики общественного питания, рейсы, аэропорты, платежи, билеты и т. д., каждая из которых содержит более узкий набор более конкретной информации, чем плоский файл, такой как электронная таблица. Эти таблицы связаны общими полями данных, называемыми ключами . (См.: Реляционная модель ) Данные можно извлекать в различных конкретных конфигурациях, создавая запрос, без необходимости извлекать всю таблицу. Это, например, позволяет легко найти назначение места пассажира с помощью различных средств, таких как номер билета или имя, и предоставлять только запрошенную информацию. См.: SQL
С середины 1990-х годов интерактивные веб-страницы позволили пользователям получать доступ к различным серверам через Интернет для участия в электронной коммерции, такой как онлайн-покупки , оплата счетов, торговля акциями, управление банковскими счетами и продление регистрации автомобилей. Это высшая форма автоматизации бэк-офиса, поскольку информация о транзакциях передается непосредственно в базу данных.
Компьютеры также значительно повысили производительность сектора связи, особенно в таких областях, как устранение телефонных операторов. В инженерии компьютеры заменили ручное черчение на САПР , что в среднем увеличило производительность чертежника на 500%. [17] Программное обеспечение было разработано для расчетов, используемых при проектировании электронных схем, анализе напряжений, тепловом и материальном балансах. Программное обеспечение для моделирования процессов было разработано как для стационарного, так и для динамического моделирования, последнее способно дать пользователю очень похожий опыт работы с реальным процессом, таким как нефтеперерабатывающий завод или бумажная фабрика, позволяя пользователю оптимизировать процесс или экспериментировать с модификациями процесса.
В последние десятилетия популярность приобрели банкоматы , а в 1990-х годах в розничных магазинах появились кассы самообслуживания.
Система бронирования авиабилетов и банковское дело — это области, где компьютеры практически необходимы. Современные военные системы также полагаются на компьютеры.
В 1959 году нефтеперерабатывающий завод компании Texaco в Порт-Артуре стал первым химическим заводом, использовавшим цифровое управление технологическим процессом. [114]
Компьютеры не произвели революцию в производстве, поскольку автоматизация в виде систем управления уже существовала десятилетиями, хотя компьютеры и обеспечивали более сложный контроль, что привело к улучшению качества продукции и оптимизации процессов. См.: Парадокс производительности .
В длительном, дорогостоящем, сложном и запутанном процессе производства полупроводниковых приборов (ППП, одной из самых дорогих отраслей по состоянию на 2022 год) с 1960-х годов как государственными (например, в США), так и частными предприятиями применялись различные подходы и исследовалось множество технологий с целью ускорения производственного процесса и повышения производительности проектирования и производства.
Программные средства автоматизации электронного проектирования (EDA) оказали большое влияние на поставку и успех многих современных электронных устройств и продуктов. Поскольку интеграция полупроводников и появление устройств VLSI росли с годами, стало невозможно идти в ногу со временем (см. также закон Мура ) без использования специализированных инструментов. Программные средства EDA широко применяются в современном процессе изготовления фотошаблонов (который ранее выполнялся вручную [115] ). Они обеспечили непрерывный рост производительности проектирования и прототипирования устройств ASIC / FPGA / DRAM и значительно сократили время выхода на рынок . [115] [116] : 46 В 2003 году сообщалось о трех поколениях комплектов EDA относительно количества логических вентилей устройств на человеко-годы с 1979 по 1995 год: I, II и III. [116] : 47 Очевидно, производительность выросла в сто раз при переходе от поколения I к поколению III. Благодаря постоянно развивающейся EDA стало возможным тратить столько же времени на проектирование сложных ASIC, сколько было бы потрачено много лет назад на менее сложные. [116] : 47
Достижения в области технологий фотолитографии, такие как эксимерный лазер на основе фторида криптона (KrF), также помогли повысить производительность при меньших затратах, даже несмотря на их высокую стоимость. [117]
«Годы 1929–1941 были в целом наиболее технологически прогрессивными из всех сопоставимых периодов в истории экономики США». Александр Дж. Филд [118]
«По мере развития индустриализации ее последствия, относительно говоря, стали менее, а не более революционными»....«По сути, наблюдался общий прогресс в промышленных товарах от дефицита к избытку капитала по отношению к внутренним инвестициям». [119] Алан Суизи, 1943
Рост производительности в США находится в долгосрочном спаде с начала 1970-х годов, за исключением всплеска 1996–2004 годов, вызванного ускорением закона Мура в области инноваций в полупроводниках. [120] [121] [122] [123] [124] [125] Часть раннего спада была приписана усилению государственного регулирования с 1960-х годов, включая более строгие экологические нормы. [126] Часть снижения роста производительности обусловлена исчерпанием возможностей, особенно по мере того, как традиционно высокопроизводительные секторы сокращаются в размерах. [127] [128] Роберт Дж. Гордон считал производительность «одной большой волной», которая достигла пика и теперь спадает до более низкого уровня, в то время как М. Кинг Хабберт назвал феномен большого роста производительности, предшествовавший Великой депрессии, «одноразовым событием». [129] [130]
Из-за снижения прироста населения в США и пикового роста производительности труда устойчивый рост ВВП США так и не вернулся к показателям в 4% и более, которые были в десятилетиях до Первой мировой войны. [120] [124] [131]
Компьютеры и компьютероподобные полупроводниковые устройства, используемые в автоматизации, являются наиболее значительными технологиями повышения производительности, разработанными в последние десятилетия двадцатого века; однако их вклад в общий рост производительности был разочаровывающим. Большая часть роста производительности произошла в новой отрасли компьютерной и связанных с ней отраслях. [118] Экономист Роберт Дж. Гордон был среди тех, кто задавался вопросом, соответствуют ли компьютеры великим инновациям прошлого, таким как электрификация. [129] Эта проблема известна как парадокс производительности . Анализ производительности в США Гордона (2013) дает два возможных всплеска роста, один в период 1891–1972 годов и второй в 1996–2004 годах из-за ускорения технологических инноваций, связанных с законом Мура . [132]
Улучшения производительности повлияли на относительные размеры различных секторов экономики за счет снижения цен и занятости. Производительность сельского хозяйства высвободила рабочую силу в то время, когда производство росло. Рост производительности производства достиг пика с электрификацией и автоматизацией фабрик, но все еще остается значительным. Однако по мере сокращения относительного размера производственного сектора выросли государственный сектор и сектор услуг, которые имеют низкий рост производительности. [127]
Хронический голод и недоедание были нормой для большинства населения мира, включая Англию и Францию, до второй половины 19-го века. Примерно до 1750 года, во многом из-за недоедания, продолжительность жизни во Франции составляла около 35 лет, и лишь немного выше в Англии. Население США того времени питалось адекватно, было намного выше и имело продолжительность жизни 45–50 лет. [133] [134]
Рост уровня жизни был достигнут в основном за счет повышения производительности. В США объем личного потребления, который можно было купить за один час работы, составлял около 3 долларов в 1900 году и увеличился до 22 долларов к 1990 году, если измерять в долларах 2010 года. [108] Для сравнения, сегодня американский рабочий зарабатывает больше (с точки зрения покупательной способности), работая в течение десяти минут, чем рабочие, ведущие натуральное хозяйство, такие как английские рабочие фабрик, о которых Фридрих Энгельс писал в 1844 году, зарабатывавшие за 12-часовой рабочий день.
В результате роста производительности труда продолжительность рабочей недели значительно сократилась в течение XIX века. [135] [136] К 1920-м годам средняя продолжительность рабочей недели в США составляла 49 часов, но рабочая неделя была сокращена до 40 часов (после чего стала применяться надбавка за сверхурочную работу) в рамках Закона о восстановлении национальной промышленности 1933 года.
Стремление внедрить четырехдневную рабочую неделю остается в некоторой степени актуальным в современных рабочих условиях из-за различных возможных преимуществ, которые она может принести.
Тонну товара можно было привезти на расстояние в 3000 миль из Европы примерно за 9 долларов, но за ту же сумму ее можно было перевезти только на расстояние в 30 миль по этой стране.
{{cite journal}}: Цитировать журнал требует |journal=( помощь ){{cite journal}}: Цитировать журнал требует |journal=( помощь ){{cite journal}}: Цитировать журнал требует |journal=( помощь ){{cite journal}}: Цитировать журнал требует |journal=( помощь ){{cite journal}}: Цитировать журнал требует |journal=( помощь )Рис. 12, скорость обработки стальной оси
существует постоянная связь между темпами потребления энергии и временным интегралом скорректированного с учетом инфляции экономического производства в глобальных масштабах.
экономический рост не может продолжаться бесконечно… Если поток энергии фиксирован, но мы постулируем непрерывный 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 произвольно дешевой
{{cite book}}: CS1 maint: другие ( ссылка ){{cite journal}}: Цитировать журнал требует |journal=( помощь ){{cite journal}}: Цитировать журнал требует |journal=( помощь ){{cite journal}}: Цитировать журнал требует |journal=( помощь )Экономика США достигла темпов роста производительности труда 2,48 процента в год в течение 81 года, затем 24 года 1,32 процента, затем временное восстановление до 2,48 процента и окончательное замедление до 1,35 процента. Сходство темпов роста в 1891–1972 годах с 1996–2004 годами и 1972–1996 годах с 1996–2011 годами весьма примечательно.