Текст книги "Чудеса техники"

На конечную остановку пришел трамвай. Как ему отправиться в обратный путь? Да в чем загвоздка, скажете вы, развернется по рельсовому кольцу, и вперед! Но даже такие небольшие развороты занимают немало городской площади и создают неудобства. А что же говорить о вокзале или железнодорожной станции, куда прибывают поезда с десятками вагонов? Не устраивать же из них хоровод, описывая километровые кольца! Пришлось делать локомотивы и электрички «двухголовыми».

Это всего лишь одна из проблем, связанных с управлением движением на рельсовых путях.

За почти двухсотлетнюю историю этого вида транспорта было изобретено множество способов, каким образом формировать составы, сортировать их, то есть перецеплять вагоны от одного поезда к другому. Или же регулировать длину, скорость и частоту движения поездов.

Легче всего представить себе сложность этих задач, спустившись в метро. В час «пик» на перронах скапливаются толпы людей. Поезда должны следовать друг за другом очень часто, успевая перевозить сотни тысяч пассажиров. Им нельзя задерживаться на перегонах, нужно двигаться со строго определенной скоростью, чтобы обеспечить не только быстроту, но и безопасность движения. В общем, весь огромный подземный город – метрополитен обязан работать как единый организм, четко и слаженно. Подобные задачи необходимо решать на любой стальной магистрали.

На помощь пришла автоматика. Вдоль всех многокилометровых рельсовых дорог протянуты линии сигнализации, предназначенные не только для переключения светофора или шлагбаума, но и способные самостоятельно управлять движением поездов. Часто пассажиры даже и не подозревают, что состав, в котором они едут, ведет автоматический машинист.

Сегодня всю информацию о местоположении и скорости поездов на многих дорогах обрабатывают вычислительные машины, так как характер и особенности перемещения по рельсовым путям очень хорошо поддаются переводу на машинный язык. ЭВМ разрабатывают режим движения, а во многих случаях, образно говоря, берут штурвал управления в свои руки. Этим достигается не только безопасность движения, но и заметная экономия энергии.

В будущем, когда быстрота перевозок возрастет еще больше, без подобных систем управления движением на железных дорогах просто не обойтись.

Автомобильный транспорт

 
Призыв протяжный
и двухнотный
Автомобильного гудка…
И снова манит безотчетно
К далеким странствиям –
тоска.
 

В. Брюсов

Наш следующий транспортный герой – автомобиль. Он появился позже паровоза примерно на столетие. Почему так произошло? Вроде бы необходимость в нем была не меньше, чем в паровозе. Ведь рельсы не подведешь к каждому дому, а машинисту не скажешь, как сейчас водителю такси: «Подвезите на угол Садовой и Тверской».

От станций и вокзалов грузы и пассажиров все равно приходилось доставлять по точным адресам. Но с этой задачей вполне успешно справлялись конные повозки и экипажи. Железная дорога взяла на себя львиную долю перевозок на большие расстояния.

Автомобиль же, чтобы соревноваться с конной тягой на небольших расстояниях, должен был пройти еще долгую эволюцию. Предстояло отслеживать все новые изобретения, постепенно подбирая из них такую комбинацию, которая обеспечила бы ему реальные преимущества.

Когда даже закоренелым скептикам стало ясно, что новый городской, а затем и загородный, а еще позже – и междугородный вид транспорта «обскакал» по всем статьям живую лошадь, отношение к нему стало меняться. На фотографиях крупных городов начала прошлого века, сделанных с интервалом лет в пять, можно заметить отчетливые перемены. На улицах становится все меньше телег, конок, экипажей, дилижансов. Сперва редкие и неуклюжие, теряющиеся среди лошадиных повозок автомобили неотвратимо вытесняют их, и наконец обнаружить на снимках изображение лошади становится просто невозможно.

Вероятно, теперь кто-то со вздохом мечтает о возвращении времен, когда на улицах легче дышалось и раздавался цокот копыт, а не рычали моторы и в воздухе не висела гарь автомобильных выхлопов. Но большинству из нас автомашина стала настолько близкой и необходимой, что мы скорее готовы бесконечно переделывать ее и совершенствовать, чем даже подумать о расставании с ней…

Почему же все-таки автомобиль задержался со своим появлением? Идея-то была проста – поставить тот же паровой двигатель на колеса, только двигаться не по рельсам, а по обычным дорогам. Но на неприспособленных для таких экипажей дорогах возникала сильная тряска; сами машины были громоздкими и тяжелыми; паровой двигатель представлял немалую опасность. Известно, что на скорости 4 километра в час потерпел аварию паромобиль французского инженера Кюньо. На крутом повороте изобретатель не сдержал руля, паровой котел сорвался с ухвата и, как отметили газеты, «взорвался с грохотом на весь Париж».

Нужно было дождаться, когда люди научатся строить более ровные дороги, снабдят автомобили резиновыми шинами, поставят амортизаторы, найдут подобающую форму кузова, а главное – изобретут компактный, мощный и надежный двигатель.

А нельзя ли вообще обойтись без двигателя? То есть приводить в движение подобные машины с помощью только лишь человеческих усилий? Наверняка вам приходит в голову мысль о велосипеде. Да, наряду с попытками создания автомобиля шли поиски и такого вида транспорта.

Самокат, иными словами дощечка с двумя колесами и стержнем для удержания равновесия, был известен по крайней мере еще в Древнем Египте. Затем дощечку приподняли, стали на нее садиться и двигаться, отталкиваясь от земли ногами. С изобретением в середине XVIII века педалей и цепной передачи на велосипеде можно было уже ездить со скоростью, превышающей скорость бегущего человека, при этом значительно экономя силы. Но если мы взглянем на современные велосипеды, то обнаружим, что гоночные модели позволяют развивать скорость примерно 50 километров в час, обычно же велосипедисты ездят раза в 2 медленнее. Не сравнить с автомобилями, верно?

Недаром более ста лет назад решили и на велосипеды ставить моторчики. Происходило это одновременно с изобретением двигателя внутреннего сгорания, необходимого прежде всего для автомобиля. К чему привела эта «добавка» к велосипеду, мы можем сегодня наблюдать, глядя на огромное семейство мопедов, мотороллеров и мотоциклов.

Впрочем, и сам велосипед до сих пор совершенствуется и оказывает неоценимые услуги своим хозяевам – он дешев, удобен, маневрен. В крупных японских городах, улицы которых в часы «пик» забиты автомобильными пробками, велосипед надежнее любой машины. Сейчас там пользуется спросом модель, снабженная мотором на аккумуляторах и микрокомпьютером. Тот следит за усилиями велосипедиста и в нужный момент подключает ему на помощь двигатель.

Но вернемся к двигателю автомобиля.

Произошло это в середине восьмидесятых годов XIX века. Желание снабдить автомобиль необходимым ему мотором привело инженеров и конструкторов к следующей идее. Зачем сжигать топливо снаружи, подогревая котел с водой, в котором образуется пар, толкающий поршни машин? Не проще ли подавать смесь бензина с воздухом внутрь цилиндра двигателя, заставляя ее там сгорать, нагреваясь и расширяясь? Иными словами, заменить пар образовавшимися при сгорании газообразными продуктами.

Идея, безусловно, была очень перспективной. Но потребовалось немало стараний, чтобы научиться производить воздушно-бензиновую смесь, подавать ее строгими порциями в цилиндр двигателя, а также вовремя поджигать электрической свечой и выводить наружу отработавшие газы – выхлоп. Двигателю предстояло стать весьма слаженно работающей системой, состоящей из большого количества деталей. Всего этого удалось достичь, более того, несмотря на все усовершенствования, двигатель внутреннего сгорания в принципе сохранил свои черты до наших дней. В миллионах автомобилей стучат подобные двигатели.

Довольно скоро после описанного типа двигателя появился его собрат – дизель. Дело в том, что конструкция бензинового двигателя не позволяла столь же эффективно использовать иные, более тяжелые сорта горючего, полученного из нефти. В дизельном же двигателе происходил поджиг топлива не с помощью электрической искры, а за счет сильного сжатия и разогрева воздуха в цилиндре. Когда в него под большим давлением впрыскивалась порция топлива, то оно из-за высокой температуры воспламенялось само. А дальше работа шла по уже известному сценарию: горячие газы стремились расшириться и толкали поршень.

Дизели взяли на себя тяжелую работу по перемещению большегрузных автомобилей – самосвалов, грузовиков, крупных автобусов. Стоят они внутри танков и тракторов, крупных судов. Впрочем, сфера их применения одним транспортом отнюдь не исчерпывается.

Эти две разновидности двигателей внутреннего сгорания в течение XX века определяли, с одной стороны, развитие автомобилестроения, с другой – загрязнение окружающей среды.

Что только не предложено на замену портящим воздух продуктам нефтепереработки! Спирт, соевое масло, метанол… Время от времени возрождается интерес к двигателю внешнего сгорания, способному работать на жидком топливе и даже на измельченном в пыль каменном угле, – полагают, что он даст меньше вредных выбросов. Проектируют двигатели на водороде, пытаясь свести к минимуму опасность его взрыва…

И все же именно эта проблема поставила производителей автомобилей перед необходимостью искать какие-то новые решения, иначе столь привычное нам средство передвижения станет нашим главным экологическим противником.

В середине нашего века немецкому изобретателю-самоучке Феликсу Ванкелю удалось создать двигатель без обычных цилиндров и поршней – порции топлива сгорали так, что сразу производили вращение вала. В разработку нового – роторного – двигателя были вложены миллиарды долларов. Тем не менее за прошедшие уже десятки лет не удалось преодолеть два его недостатка – большое потребление бензина и слишком токсичные выхлопы. Ведущие автомобильные компании прекращают выпуск машин с роторными двигателями, надежды на них не оправдались.

Как же создать экологически чистый автомобиль? Прежде всего, наверное, стоит усовершенствовать существующие конструкции. А именно: постараться уменьшить расход топлива, само топливо сделать более приемлемым с точки зрения чистоты выхлопов, а уж получающиеся выхлопы доочищать. Нужно позаботиться о снижении сопротивления воздуха, ведь оно при больших скоростях современных автомобилей отбирает огромную долю затрачиваемой энергии. Можно использовать новые, например, керамические материалы для двигателей, что повысит их коэффициент полезного действия (из-за достижения более высоких температур) и приведет к экономии топлива и уменьшению загрязнения.

Подключение к решению таких задач компьютерной техники дало ощутимые плоды. Так, в 1996 году в Японии был разработан автомобиль, превосходящий по своим экологическим параметрам все известные машины с двигателем внутреннего сгорания. Его создатели использовали в качестве горючего природный газ и добились того, что воздух из выхлопа шел чище, чем во многих промышленных городах!

С 2012 года выпускаются экологичные электро мобили. Они заряжаются от обычной электросети.

Разные усовершенствования делают машину более дорогой, что сдерживает внедрение других разработок, например таких, как газотурбинные двигатели, электромобили, инерционные и солнечные двигатели. В каждой из этих областей сделаны сотни изобретений, получены обнадеживающие результаты, однако двигатель внутреннего сгорания капитулировать не хочет.

Во Франции, где покупать электромобили помогает государство, их отнюдь «не расхватывают», потому что по скорости, дальности пробега и удобству обслуживания наши обычные автомобили пока еще превосходят новинки. Но когда-нибудь экология все-таки вынудит людей отказаться от загрязняющих окружающую среду машин, и автостроители сумеют перестроить систему рекламы и автосервиса таким образом, что автолюбитель станет охотней приобретать достижения новой техники.

В конце концов для большинства землян «автомобиль не роскошь, а средство передвижения», как говорили герои романа И. Ильфа и Е. Петрова «Золотой теленок». Человек чаще ездит по необходимости, а не для развлечения, и не на «голом» изобретении, а на том, что ему удобно и выгодно.

Воздушный транспорт

 
Над полями, лесами,
болотами,
Над извивами северных рек
Ты проносишься плавными
взлетами
Небожитель – герой –
человек.
 

В. Ходасевич

В отличие от видов транспорта, передвигающихся по воде или по земле, машины для полета нельзя было конструировать традиционным путем. Метод проб и ошибок, небезопасный при работе и на земной тверди, становился неприемлемым при потере привычной опоры. Каждый неудачный полет грозил испытателю гибелью.

Впрочем, называть такое движение вовсе безопорным – неверно. Оторвавшись от земли, летательный аппарат начинает опираться на воздух. Движение в очень неплотной среде требовало долгого и кропотливого исследования ее свойств. И хотя развитие ни одного из видов транспорта не могло обойтись без помощи науки, в авиации такая поддержка была принципиально важной с самого начала ее становления.

Во многом благодаря работам ученых, создавших теорию движения тел в воздухе – аэродинамику, воздухоплавание получило невидимые крылья – мощь человеческого интеллекта.

Смешные и странные, по сегодняшним меркам, механические создания примерно сто лет назад одно за другим устремлялись в воздушную стихию. Наступала эпоха авиации…

Хотя летать человек начал всего лишь без малого столетие, подняться в воздух он сумел значительно раньше. Висеть – это не лететь. Конечно, вы поняли, что речь идет о воздушных шарах. Действительно, такого рода полеты стали совершаться еще в конце XVIII века, люди поднимались в воздух на шарах, наполненных дымом от костра.

В принципе внутри шара может быть любой газ, лишь бы он был легче окружающего воздуха, иными словами – менее плотный. Вот за счет этой разности плотностей и возникает так называемая подъемная сила, достигающая, в зависимости от объема шара и вида газа, заметной величины.

Человек умело распорядился этим изобретением. Воздушные шары – аэростаты – приспособили для путешествий, перевозки грузов, научных исследований. Конечно, не обошлось без курьезов. Одному французу пришло в голову подняться на шаре, сидя на своем коне. Другим – устроить дуэль на воздушных шарах. Повредив выстрелами аппараты, оба рухнули с высоты 700 метров и погибли.

Со временем родилась идея сделать каркас этого транспортного средства жестким – так появился дирижабль. На такого рода устройства начали ставить двигатели, что позволило перемещаться на огромные расстояния.

Воздушный шар, увы, слишком подчинен воле ветров. Недаром никак не удается совершить на нем кругосветное путешествие: вы наверняка слышали о недавних попытках, закончившихся неудачей. А вот дирижабли довольно быстро так освоились в воздухе, что пересекли океаны и в двадцатых годах XX века достигли Северного полюса.

Дирижаблям прочили безоблачное будущее. Они могли и перевозить пассажиров, и доставлять в недоступные другим видам транспорта районы тяжелые грузы, и применяться в военных целях. Но в промежутке между двумя мировыми войнами дирижабли потерпели ряд серьезных катастроф, что подорвало их престиж. В то же время авиация набирала такую мощь, что захватила безусловное лидерство в воздухе, оттеснив дирижабли.

Интерес к дирижаблестроению проявлялся и в последующие годы. Но и сегодня существуют любопытные проекты их эксплуатации, например для создания системы связи наподобие спутниковой. А вот как умудрились использовать дирижабль исследователи экваториальных лесов Южной Америки. С него сбросили на кроны деревьев сетчатый плот, окаймленный резиновыми понтонами. С помощью его ученые смогли наблюдать за недоступными ранее растениями, животными и насекомыми верхнего яруса джунглей. Между висящим плотом и гондолой дирижабля поддерживалась связь, и в нужный момент плот можно было поднять и переместить в другое место.

Этот пример говорит о том, что для дирижаблей, возможно, еще не все потеряно.

Аэростаты же продолжали исправно и бесперебойно трудиться. Во время войны они помогали маскировать крупные города, их запускали и запускают для сбора метеорологических данных, они служат зондами для исследований в атмосферах других планет. Сфера их применения, судя по проектам, будет расширяться, и наверняка вскоре мы станем свидетелями их первого кругосветного беспосадочного перелета.

Настоящие самолеты, то есть управляемые аппараты тяжелее воздуха, снабженные двигателем, способные менять высоту и летать горизонтально, появились лишь на рубеже двух последних веков. Необходимо воздать должное смелости и упорству исследователей, на себе испытавших всю прелесть и опасность движения в воздухе. Огромное количество опытов, измерений и расчетов позволили, наконец, понять, какими должны быть крылья будущего аэроплана.

Относительно небольшие размеры и малый вес, но в то же время и достаточная тяга созданного к тому времени двигателя внутреннего сгорания обеспечили необходимые условия для полета.

Как бы ни были интересны прежние изыскания ученых, в том числе и Леонардо да Винчи, пытавшихся скопировать полет птиц и летучих мышей, уже около ста лет назад стало ясно, что человеку для полета необходим двигатель. Правда, ради справедливости заметим, что на сегодня изобретены и поднимаются в воздух машины, приводимые в движение одной лишь мускульной силой человека.

Эти воздушные «велосипеды» стали возможны благодаря появлению сверхлегких прочных материалов и хитроумным способам максимального использования человеческих усилий. Помимо летательных аппаратов, подобных самолетам и способных довольно долго находиться в воздухе – сколько у пилота хватит сил, – появились и «мускульные вертолеты».

Несколько лет назад устройство массой 45 килограммов смогло оторваться на 20 сантиметров от земли и продержаться 7 секунд. Аппарат, названный «да Винчи III», включал в себя тридцатиметровый винт, вращаемый с помощью педального привода.

Однако такого рода машины, хоть и доказали возможность автономного, без двигателя, полета человека, пока еще служат скорее для развлечения. Но кто знает, не окажутся ли они полезными впоследствии для разведывательных целей или для исследования планет?

Что же касается опыта изучения полетов птиц, то он, безусловно, пригодился – прежде всего при расчетах и конструировании крыльев самолетов. Вспомните, ведь птица машет крыльями, набирая высоту или летя горизонтально. Но часто она просто парит в вышине, улавливая потоки восходящего воздуха, или плавно планирует, заходя на посадку. Что держит ее в это время? Как обтекает воздух поверхность крыльев? Чем можно изменить подъемную силу?

Ответы на подобные вопросы, прикидки, испытания, моделирование и продувка самолетов в аэродинамических трубах, а также компьютерное моделирование помогают постоянно улучшать параметры самолетов. Вся мощь науки и техники была брошена на решение задач авиации, что и обеспечило ей столь быстрый прогресс.

Судите сами: в конце 1903 года самолет братьев Райт продержался в воздухе двенадцать секунд и пролетел около сорока метров. В 1909 году первый аэроплан перелетел через пролив Ла-Манш, в 1919-м – самолет пересек Атлантический океан.

За следующие два десятилетия протяженность постоянных самолетных маршрутов выросла почти в восемьдесят раз. И эти данные оказались вовсе не рекордными.

Авиацию ждал новый взлет, связанный с появлением реактивного самолета.

Первые самолеты, как вы, наверное, знаете, приводились в движение пропеллером-винтом. Впрочем, пропеллеры не потеряли своего значения для авиации и по сей день. Наглядный пример – вертолеты. Недаром их именуют еще и винтокрылыми машинами.

Тем не менее использование пропеллеров наряду с вращавшими их поршневыми двигателями имело свои пределы. Во время Второй мировой войны стало очевидно, что для достижения больших скоростей и высот нужны иные двигатели. Принцип их действия был, как и многое в науке и технике, известен давно.

Пушка при выстреле откатывается назад, ружье, выпустив пулю, бьет прикладом в плечо. Называется это отдачей, реакцией. Нельзя ли такой процесс сделать непрерывным? Например, если кипящий чайник поставить на легкую тележку, то вырывающаяся из его носика струя пара заставит тележку двигаться в противоположном направлении. А если использовать для этого не пар, а газовую турбину? Или сжигать топливо в камере, а продукты сгорания – газы – выпускать в одном направлении. Возможно, это заставит машину двигаться?

Эти идеи получили техническое воплощение еще в 1910 году, когда на авиационном салоне под Парижем в воздух был поднят самолет особенной конструкции. Поздравляя его создателя, знаменитый А. Эйфель, построивший не только известную башню, но и аэродинамическую трубу, сказал: «Вы опередили эпоху на 30, а то и на все 50 лет!» Войны резко подстегнули разработки, что и привело к созданию реактивного самолета. С начала сороковых годов реактивные истребители стали выпускаться серийно, а в послевоенное время на реактивную тягу перешла и гражданская авиация.

Именно реактивный двигатель позволил самолету впервые превысить скорость звука, подняться на высоту в два десятка километров. Новые двигатели увеличили мощность и грузоподъемность летающих машин настолько, что стало возможным перевозить по две-три сотни пассажиров на тысячи километров, оперативно доставлять в самые разные точки земного шара сотни тонн грузов.

Реактивный самолет стал самым быстроходным современным транспортом. Внешне он мало похож на своего прародителя – вытянутый обтекаемый фюзеляж, прижатые к корпусу крылья, убирающиеся при взлете шасси. А как изменилась «начинка» самолета! Система автоматической посадки, автопилот, гидравлическая передача для управления рулями, система предупреждения столкновений, спутниковая связь… Одних только шкал, цифровых указателей, табло и экранов в кабине летчика больше сотни! Здесь без компьютера – как без рук!

Сочетая качества ракеты и самолета, конструкторы создали космический челнок – «Шаттл». Он поднимается в заатмосферные высоты подобно ракете, а приземляется как настоящий самолет. Такого рода машины дают нам возможность заглянуть в завтрашний день авиации.