Текст книги "Чудеса техники"

Мозаика изобретательства

• Самая древняя из обнаруженных дорог была построена в Англии 6000 лет назад и представляла собой деревянные мостки, проложенные для пешеходной переправы через болото.

• Сохранившиеся сооружения древней цивилизации инков сложены из огромных каменных блоков, настолько тщательно подогнанных друг к другу, что между ними не проходит лезвие ножа. Такой точности добивались, обрабатывая блоки лишь каменными молотками. Транспортировали блоки, волоча их по мощенным гравием дорогам.

• Александр Македонский пытался восстановить монументальную ступенчатую пирамиду, которую считали прообразом Вавилонской башни, но не успел. О масштабах работы говорит уже то, что на предварительную расчистку мусора 10 000 человек потратили два месяца.

• Римляне оставили миру очень важное изобретение – бетон. Они использовали его для водовода, проложенного по самому большому из построенных ими мостов длиной 275 метров и высотой 49 метров, перекинутому через реку Гардон у города Ним свыше 2000 лет назад.

• Древние русские мастера-плотники умудрялись возводить величественные деревянные храмы без единого гвоздя, подгоняя топором и долотом бревна так, что при их укладке не оставалось щелей. Даже сами бревна не распиливали пилой, а перерубали топором, да без единой зазубрины!

• Использование льда для сооружения неприступных укреплений или праздничных забав было известно на Руси с незапамятных времен. А в 1740 году в Санкт-Петербурге был построен Ледяной дом для развлечений императрицы Анны Иоанновны. Имел он около 17 метров в длину, более 6 – в высоту и был украшен ледяными статуями.

• Выдающийся изобретатель-самоучка Иван Кулибин, находясь на службе у императрицы Екатерины II, соорудил для нее дворцовый лифт. Для бесшумной и плавной работы подъемника он, видимо, впервые применил в качестве смазки графит. А хорошо знакомый нам электрический лифт появился лишь к концу XIX века.

• Стоящее скоро уже двести лет напротив Кремлевской стены в Москве здание Манежа было в свое время уникальным для России сооружением. Его деревянные перекрытия длиной 45 метров не имели ни одной промежуточной опоры! Чтобы спасти прогнувшийся вскоре после постройки потолок, изобретательный строитель Слухов предложил проделать специальные окошки в крыше здания, с тех пор так и называемые слуховыми.

• С помощью радиолокатора, установленного на борту космического корабля «Шаттл», были обнаружены остатки древнейшей Великой Китайской стены, возведенной более тысячи лет назад. А сейчас в одном из городов Китая строится каменная стена с художественной резьбой, длина которой должна достичь двух километров.

• Знаменитый туннель под Ла-Маншем начал прокладываться еще в… 1882 году. Для его проходки было изобретено специальное землеройное устройство, способное «просверлить» за неделю стометровое по длине и более чем двухметровое по диаметру отверстие.

• Чтобы заменить вышедшие из строя трубы, проложенные глубоко под поверхностью земли, в японских и американских городах применяют миниатюрные буровые машины, подобные проходческим установкам. С помощью таких «кротов» роют туннели диаметром до метра и протяженностью в несколько десятков метров, не вскрывая асфальт и не останавливая движение на улицах.

• Как можно использовать взрыв в мирных целях, было продемонстрировано в 1968 году в районе Алма-Аты. Чтобы спасти город от селевых горных потоков, направленным взрывом возвели огромную плотину, перегородившую ущелье. На это потребовалось более 5600 тонн взрывчатки.

• Один из создателей американского атомного оружия Э. Теллер предложил построить новую гавань на побережье Аляски с помощью… серии атомных взрывов. По его мысли, из-за взрывов вдоль берега образуются глубокие впадины, куда уйдет океанская вода, и сформируется естественный порт.

• Во Франции построен судоходный канал, который соединяет реки Рейн и Рона, благодаря чему крупные корабли могут идти из Северного моря в Средиземное «сквозь» европейский материк.

• Лазерный луч применяют и в строительстве. Например, при возведении Останкинской телебашни с его помощью контролировалась ее вертикальность и выявлялись отклонения, возникающие как под воздействием ветра, так и из-за одностороннего нагрева башни солнечными лучами.

• Подъемные краны, будучи сперва низенькими и малосильными, теперь позволяют переносить сотни тонн строительных материалов в сутки на высоту небоскреба. Помимо передвижных автокранов, сегодня применяют башенные и ползущие, которые «растут» или перемещаются внутри здания вместе с его возведением.

• Самая высокая винтовая лестница располагается вокруг дымовой трубы в испанском городе Барселоне. Достигает она 63 метров и насчитывает 217 ступеней.

• Самый длинный подвесной мост, построенный у французского города Гавр, имеет в длину 2141 метр. При тестировании его опор и центральной части настила в аэродинамической трубе выяснилось, что они выдержат сопротивление ветру, дующему со скоростью 180 километров в час. А общая длина моста, перекинутого через реку Тежу в Португалии и введенного в строй весной 1998 года, составляет 18 километров!

• В Китае сооружен бассейн площадью семь тысяч квадратных метров. Предназначен он для экспериментов по аэро– и гидродинамике, испытаний торпед и моделирования запуска и приводнения космических кораблей.

• Чтобы предохранить здания от землетрясений, в Японии изобрели для них «подставки». Состоят они из множества слоев стали и резины, имеют метровую толщину, способны выдержать нагрузку в 200 тонн и готовы служить 60 лет.

• В 1997 году состоялся старт первой ракеты с международного океанского космодрома. Им стала переоборудованная нефтяная платформа «Одиссей» массой в 30 тысяч тонн. Ее отбуксировали в район вблизи экватора, откуда выгоднее производить запуски в космос, используя вращение Земли, и надежно «заякорили». На платформе разместились топливные баки, ангар для хранения ракет и система их подъема на стартовую площадку.

Энергетика

 
И в этот час печальная
природа
Лежит вокруг, вздыхая тяжело,
И не мила ей дикая свобода.
Где от добра не отделимо зло.
И снится ей блестящий вал
турбины,
И мерный звук разумного
труда,
И пенье труб, и зарево
плотины,
И налитые током провода.
 

Н. Заболоцкий

Ну, не давала человеку покоя безмятежная природа! Не терпелось ему поставить ее дремлющие силы себе на службу, на удовлетворение своих нужд. В общем, давным-давно у него сложилось откровенно потребительское отношение ко всем ее богатствам.

Но любым сокровищем надо умело распорядиться. Энергия – бесценный дар, предоставленный нам природой. С древности люди потихоньку расходовали его, особенно не задумываясь о последствиях. Когда же масштабы преобразования энергии достигли сегодняшних величин, человечество стало ощущать как ее нехватку, так и все недостатки нехозяйского ее использования.

Расчеты говорят, что даже если энерговооруженность самых передовых стран «заморозить» на нынешнем уровне, то, когда остальные страны подтянутся до него, допустимый нагрев нашей планеты будет заметно превзойден. А это приведет к резкому изменению климата. Получается, что в погоне за изобилием энергии, за стремлением к достатку мы создадим себе полным-полно новых проблем.

Нам необходимо крепко задуматься. Может быть, возвратиться к маломощным водяным колесам и ветряным мельницам? Ведь они не вносили практически никакого дисбаланса в природу. Но тогда придется сократить производство, а смирится ли с этим человек? Может быть, просто экономнее расходовать то, что мы сегодня производим? Есть ли иные, альтернативные нынешним, заменяющие их и более подходящие с экономической точки зрения источники энергии?

Множество вопросов, огромное количество проблем, решение которых уже нельзя откладывать. Кончилось время бездумного обращения с энергией. И прежде всего необходимо разобраться, что стоит за этим понятием, какие законы управляют ею.

Надо ясно понять, что на самом деле мы энергию не добываем, не получаем, не вырабатываем, а только преобразуем, превращаем ее из одного вида в другой. И что бы человек ни изобретал, вопрос лишь в том, насколько эффективнее он сможет благодаря этому управлять таким преобразованием.

А начал человек подступаться к овладению энергией еще в далекие, доисторические времена…

С помощью чего добывали огонь?

Не один раз ученым-археологам приходилось ломать голову при раскопках стоянок древних людей. Например, находили палочку с обожженным концом. Одни говорят – это пытались в костре заострить копье или стрелу, другие утверждают – так получали огонь.

Сходятся спорщики на том, что человек стал самостоятельно добывать огонь около 100 тысяч лет назад. Именно самостоятельно, потому что в природе огонь возникал постоянно, скажем, при лесных пожарах. Но у такого огня не погреешься, не приспособишь его для своих потребностей. Научившись получать огонь по своему желанию, человек смог развести костер, приготовить пищу, обогреться, защитить свое жилье от хищников.

Способ добычи огня был до крайности примитивен: палочку терли о дощечку. Позже наловчились вращать палочку руками или тетивой лука. В углублениях образовывались нагретые опилки. Подкладывая сухой мох, раздували тлевшие опилки и получали пламя.

Каким бы простым ни казался нам этот способ, овладение огнем было величайшим достижением. Опираясь на современные знания, отметим для себя, что таким образом люди всего лишь «выпускали на волю» скрытую, накопленную в дереве энергию.

Со временем человек обнаружил, что горят также уголь, нефть и газ. Откуда же берется эта скрытая энергия?

Активно поглощая листьями солнечную энергию, дерево словно откладывает ее про запас в корнях, стволе, ветках. Именно она и высвобождается при горении.

А горючие полезные ископаемые – это преобразованные останки животного и растительного мира доисторического периода, сохранившие поглощенную миллионы лет назад энергию Солнца. Представьте, вы сидите у горящего камина и в пляшущих на углях язычках пламени видите отсвет солнца, под которым грелись динозавры.

Но почему бы не использовать солнечную энергию напрямую, не вырубая леса и не занимаясь трудоемкой добычей полезных ископаемых?

О такой возможности люди мечтали давно, по крайней мере с тех пор, как появились зеркала. Когда же научились изготовлять линзы, то были попытки сконцентрировать рассеянную в пространстве солнечную энергию; например, этим занимался французский ученый XVIII века Лавуазье. Но большего эффекта, чем просто что-нибудь поджечь, не добивались. Получать энергию с помощью обычного горения топлива было выгоднее. Выгоднее, да не совсем…

Как вертит колеса вода?

Проходили тысячелетия, а «запрячь» огонь, заставить его работать человек так и не сумел. Тогда мысли его обратились к движущейся воде.

Когда и где завертелось первое водяное колесо? Его запустили, видимо, и в Древней Индии, и на Ближнем Востоке, и в Древнем Риме. Где бы то ни было, а такие колеса издавна стали служить человеку для вращения жерновов в мельницах, приведения в действие рудобитных машин, позже – для откачки воды из шахт и рудников.

Вода крутила и вертикально поставленные колеса, и расположенные горизонтально. Эффективность их действия была небольшой, но несравнимой с тем, на что были способны люди или животные. На реке Сене во Франции в 1682 году была возведена крупнейшая по тем временам установка. Состояла она из 13 колес диаметром по 8 метров и обеспечивала работу более 200 насосов. Те могли подавать воду на высоту свыше 160 метров и приводили в действие фонтаны в дворцовых парках.

Это говорило о гигантской мощи текущей воды. Но по-настоящему овладеть ею люди смогли лишь в XX веке. Наверняка вы видели изображения огромных плотин, перегородивших великие реки – такие, как Волга, Енисей, Нил. Плотина нужна для создания напора воды. Падая с большой высоты – на горных реках это десятки метров, – вода вращает уже не громоздкие деревянные колеса, а валы турбин, соединенные с генераторами электрического тока. Гидроэлектростанции (ГЭС) внесли немалый вклад в производство дешевой энергии. Однако говорить об их безоблачных перспективах трудно.

Дело в том, что необходимые для них водохранилища выводят из оборота огромные полезные территории. Затопляются поля и леса, подтапливаются прибрежные районы, на дне водоемов скапливается несметное количество вредных осадков. Рыба не может приспособиться к жизни в практически непроточных реках, нарушается экологическое равновесие.

Недавно началось строительство огромной плотины на китайской реке Янцзы. Она будет два километра шириной и 100 метров высотой, мощность ее превзойдет каждую из ГЭС, возведенных в мире. Но вот плата за энергию – из бассейна реки надо переселить свыше миллиона человек, многие города просто исчезнут с лица Земли.

Ученые не исключают, что в XXI веке, когда иные источники станут производить достаточно энергии, многие плотины придется разобрать и водохранилища спустить, вернув реки в естественные русла. Задача благородная, но каков объем работ! И что же заменит нынешние гидроэлектростанции? Ответ на этот вопрос ищут все энергетики.

Во что переходит энергия топлива?

С изобретением паровой машины, а позже и турбины, люди смогли наконец заставить выделяемое при сгорании тепло вращать и двигать различные механизмы. Это были и лопатки турбин, и колеса на транспорте, и валы генераторов тока. Беда в том, что невозможно всю выделяемую при сгорании топлива энергию эффективно использовать – превращать в полезную для нас работу. При этом до невероятных размеров возрастают масштабы загрязнения среды, в том числе и теплового.

Не раз казалось, что время пара закончилось. Так и произошло с паровым двигателем на транспорте.

При производстве же электроэнергии выяснилось, что пар отнюдь еще не сказал своего последнего слова. В Америке, в штате Калифорния, действует опытная тепловая электростанция, на которой удалось добиться подъема коэффициента полезного действия на целых 25 %! Это было поразительно, поскольку в предшествующие годы уже никакими усовершенствованиями не могли поднять этот показатель тепловых машин выше, чем на полпроцента.

Тем не менее даже при таком улучшении работы теплоэлектростанций там происходит сжигание угля, нефти, мазута и газа, а мы уже знаем, насколько это загрязняет атмосферу.

Давайте еще раз взглянем на цепочку превращений энергии в этом случае. Скрытая внутри топлива энергия высвобождается в виде тепла. Вода нагревается и преобразуется в пар. Горячий пар под давлением подается на лопатки турбины и вращает ее. Турбина крутит вал генератора, который позволяет получить уже электрическую энергию. Сколько переходов, сколько на каждом шагу потерь, рассеяния энергии!

Давно уже задумывались ученые о том, нельзя ли совершить непосредственный переход от химической, внутренней энергии топлива к электрической. Такой процесс был найден и получил название холодного горения. Теоретически его эффективность очень велика – до 90 %! При этом топливные элементы – так именуется новый источник энергии – намного компактнее и значительно меньше загрязняют атмосферу.

Поистине «мал золотник, да дорог». Уж очень непросто запустить в этих элементах нужные химические реакции. Сегодня ученые и изобретатели заняты разработкой их промышленного варианта, и в будущем, без сомнения, холодное горение еще серьезно нам послужит.

Можно ли хранить электричество?

Вы заметили, что в названии станций, на которых производят энергию, обязательно присутствует слово «электро»? То есть, что бы мы ни подавали «на вход», «на выходе» получается энергия в виде электричества.

С тех пор как было обнаружено, что в металлах может протекать электрический ток, а в проволочной рамке, вращающейся в магнитном поле, возникает напряжение, стало ясно, что получен прекрасный способ преобразования, передачи и распределения энергии.

Действительно, как передать на расстояние энергию падающей воды или выделенное при сгорании тепло?

Конечно, можно на месте использовать вращение гидроколеса, приводящего в движение мельницу. Можно передать по трубам горячую воду, как это делают в городах для обогрева домов. Но не устанавливать же многокилометровый крутящийся вал! Да и вода остынет, если трубы будут слишком длинными.

А вот электрогенераторы, получающие энергию в принципе от всего, что способно создать вращение, производят электрический ток, который затем по проводам переносит энергию на сотни и тысячи километров. Им питаются и электрический транспорт, и лампы на улицах городов и в наших домах, и все приборы, которые достаточно включить в сеть.

Без преувеличения можно сказать, что сегодня весь мир зависит от питания электроэнергией, как грудной ребенок – от соски.

А что делать, если в какое-то место энергия не подается по проводам? Тогда нас выручат батарейки. Вот уж действительно палочка-выручалочка! В переносных радиоприемниках и магнитофонах, калькуляторах и слуховых аппаратах – в необозримом количестве современных приборов «сидят» эти маленькие источники электричества.

Кроме этих миниатюрных устройств существуют и довольно крупные аккумуляторы, знакомые вам, конечно, по автомобилям. Для них производят более 100 миллионов свинцовых аккумуляторов в год. А дизельные подводные лодки флотов всех стран оснащены подобными аккумуляторами массой до 180 тонн!

К сожалению, большая масса, а также вредные химические вещества, используемые в них, служат пока препятствием для создания транспорта на автономной электрической тяге.

Это задача, над которой бьются не одно десятилетие тысячи ученых, инженеров, изобретателей. Никак пока не удается сконструировать принципиально новый аккумулятор, который позволял бы долго двигаться в удалении от иных источников энергии, то есть без частой подзарядки.

Впрочем, похоже, ситуация с состоянием окружающей среды просто заставит нас сделать это изобретение. Ведь создали же батарейку, целиком состоящую из пластмассы! Она прекрасно работает и в жару, и в мороз, ее можно до ста раз разряжать и заряжать, она почти не токсична. Не во всем ее можно сравнить с уже известными батареями, но это обнадеживающий шаг!

Не помогут ли ветер и волны?

Да, именно экология уже диктует, а в скором времени, видимо, полностью будет определять требования к любым источникам энергии. Немудрено, что люди вновь и вновь обращаются к тому, что давно и настойчиво предлагает сама природа. Ведь если запасы ископаемого топлива рано или поздно подойдут к концу, если, сжигая его, мы нарушаем тепловой баланс Земли, то не резонно ли воспользоваться более чистыми природными источниками энергии?

Энергию ветра люди применяли издревле. Знаете ли вы, что сто лет назад в России действовало около 250 тысяч ветряных мельниц? И они перемалывали в то время примерно половину урожая зерна. Безусловно, призывать сейчас к строительству таких мельниц нелепо, но так же неразумно пренебречь даровой и вездесущей энергией ветра.

Представьте, что на перемещение воздушных масс тратится до 2 % солнечной энергии, достигающей Земли. А это огромная величина. Небольшой ее части хватило бы для удовлетворения всех земных энергетических нужд.

В чем же загвоздка, почему бы не построить побольше ветроустановок и не пользоваться этой неисчерпаемой кладовой энергии? У ветра, увы, есть недостатки: он непостоянен, поэтому приходится на пару с ветродвигателем заводить резервную электростанцию. При больших скоростях установка работает эффективно, при малых – хуже. Надо было продумать, как изменять конструкцию лопастей, чтобы и при небольшом напоре ветра двигатель действовал с хорошей отдачей. Вращающийся пропеллер ветродвигателя к тому же создает вредную для человека вибрацию.

Тем не менее есть пустынные районы, где ветродвигатели устанавливают сотнями. Нашли способы, при которых вращение лопастей, напоминающих иногда сбивалку от миксера, оказывается максимально эффективным. Во время спада в потреблении энергии установка работает, накачивая воду в емкости, расположенные на большой высоте. Когда же потребление растет, падающая под напором вода возвращает затраты и вносит свою лепту в выработку энергии. Это, кстати, может быть использовано и при работе с другими источниками энергии, а называется такая система гидроаккумулирующей станцией.

Еще одна, тоже реализованная идея – приливные станции. Поднимающаяся кое-где на 10 и более метров океанская вода несет с собой практически неограниченный запас энергии. В узких береговых проходах, как это было сделано во Франции и на Кольском полуострове в России, ставят преграду, не дающую приливной волне бесполезно гулять. Проникая через отверстие в такой плотине, вода вращает турбины электростанций, причем как во время прилива, так и во время отлива. Есть проекты, как использовать энергию волн и с помощью гигантских колеблющихся на воде поплавков.

Другой вид электростанции, действующей в океане, основан на использовании разности температур поверхностного и глубинного слоев воды. Летучее вещество испаряется, получая тепло от нагретой солнцем воды, образуемый пар крутит турбину, соединенную с генератором тока. Потом, охлаждаясь придонной водой, пар конденсируется в жидкость и вновь поступает в испаритель.

Изобретательные решения! Но, обращаясь к так называемым альтернативным источникам энергии, человек сегодня взвешивает все. Важна не только их эффективность, но и безопасность для окружающей среды и человека.