Текст книги "100 великих достижений в мире техники"

Чудеса сельского хозяйства

Не надо думать, что технические чудеса нужны только в городе. На селе они тоже пригодятся. Специалисты это прекрасно понимают, придумав немало интересного и для сельского хозяйства.

Какой заряд у дождика?

Казалось бы, какая растению разница, поливает его дождь или человек с помощью лейки или дождевальной установки? Но оказалось, все не так просто…

В свое время доктор биологических наук, заслуженный деятель науки России З. И. Журбицкий и изобретатель И. А. Остряков поставили перед собой задачу: выяснить, как влияет электричество на один из главных процессов в жизни растений – фотосинтез.

С этой целью они, например, ставили такие опыты. Заряжали воздух электричеством и пропускали воздушный поток под стеклянным колпаком, где стояли растения. Оказалось, что в таком воздухе в 2–3 раза ускоряются процессы поглощения углекислого газа. Подвергались электролизации и сами растения. Растения, побывавшие под отрицательным электрическим полем, растут быстрее обычного. За месяц они обгоняют своих собратьев на несколько сантиметров. Причем ускоренное развитие продолжается и после снятия потенциала.

Накопленные факты дают возможность сделать некоторые выводы. Создавая положительное поле вокруг надземной части растения, мы улучшаем фотосинтез, растение будет интенсивнее накапливать зеленую массу. Отрицательные же ионы благотворно влияют на развитие корневой системы. Таким образом, кроме всего прочего, появляется возможность избирательного влияния на растение в зависимости от того, что именно, «вершки» или «корешки», нам нужны.

«Как специалиста, который некогда работал в производственном объединении “Союзводпроект”, – рассказал Игорь Алексеевич Остряков, – электрические поля интересуют меня еще и вот с какой точки зрения. Питательные вещества из почвы могут проникнуть в растения только в виде водных растворов. Казалось бы, растению все равно, откуда получать воду – из дождевого облака или из дождевальной установки. Ан нет, опыты неопровержимо доказывают: вовремя прошедший дождь намного эффективней своевременной поливки»…

Стали ученые разбираться, чем дождевая капля отличается от водопроводной. И выяснили: в грозовом облаке капельки при трении о воздух приобретают электрический заряд. В большинстве случаев положительный, иногда отрицательный. Вот этот-то заряд капли и служит дополнительным стимулятором роста растений. Вода в водопроводе такого заряда не имеет.

Ученые утверждают, что вовремя прошедший дождь намного эффективней своевременной поливки…

Более того, чтобы водяной пар в облаке превратился в каплю, ему нужно ядро конденсации – какая-нибудь ничтожная пылинка, поднятая ветром с поверхности земли. Вокруг нее и начинают скапливаться молекулы воды, превращаясь из пара в жидкость. Исследования показали, что такие пылинки очень часто содержат в своем составе мельчайшие крупинки меди, молибдена, золота и других микроэлементов, благотворно влияющих на растения.

Ну а раз все это так, почему бы и искусственный дождик не сделать подобием естественного? Конечно, сказать легче, чем выполнить, но определенные достижения в этой области уже есть. В конце прошлого века И. А. Остряков получил авторское свидетельство на электрогидроаэроионизатор – прибор, который создает электрический заряд на капельках воды. По существу, это устройство представляет собой электрический индуктор, который устанавливается на трубе разбрызгивателя дождевальной установки с таким расчетом, чтобы сквозь его рамку пролетела уже не струя воды, а рой отдельных капель.

Сконструирован и дозатор, позволяющий добавлять в водный поток микроэлементы. Устроен он так. В рукав, подающий воду в дождевальную установку, врезается кусок трубы и электроизоляционного материала. A в трубе располагаются молибденовые, медные, цинковые электроды… Словом, из того материала, какой микроэлемент нужен для подкормки. При подаче тока ионы начинают переходить с одного электрода на другой. При этом часть их смывается водой и попадает в почву. Количество ионов можно регулировать, меняя напряжение на электродах.

Если же нужно насытить почву микроэлементами бора, йода и других веществ, не проводящих электрического тока, в действие вступает дозатор другого типа. В трубу с проточной водой опускают кубик из бетона, разделенный внутри на отсеки, в которых и помещаются нужные микроэлементы. Крышки отсеков служат электродами. Когда на них подается напряжение, микроэлектроды проходят сквозь поры в бетоне и уносятся водою в почву.

Аэродинамика… плуга

На одном из слетов научных обществ учащихся устроили ребята защиту фантастических проектов. Ну и повеселились же! Например, мальчишки из Краснодара предложили пахать с помощью… самолетов! Прицепить-де к крылатому трактору плуг – и полный вперед! Только успевай поднимать плуг над городами, чтобы за трубы не зацепиться…

Но в каждой хорошей шутке, как известно, есть доля истины. «Конечно, плуг и самолет движутся каждый в своей среде: плуг – в почве, самолет – в воздухе, – рассудил сотрудник НИИ кукурузы, кандидат технических наук С. С. Тищенко. – Но это вовсе не значит, что между ними нет никакого сходства»…

Плуг XXI века учитывает и законы аэродинамики

Присмотримся, при движении плуг, стремясь сдвинуть почву перед собой, прежде всего сжимает, а потом разрушает ее. Но ведь и самолет в полете тоже разрушает структуру воздуха! Взвихривает его и как бы разбрасывает в стороны. При этом впереди самолета тоже образуется уплотнение – ударная волна. И эта волна, как ни странно на первый взгляд, имеет ту же физическую сущность, что и уплотнение в почве – расстояние между молекулами уменьшается.

«Отсюда первый вывод: часть энергии любого движущегося тела затрачивается на разрушение среды и предшествующее этому сжатие, – продолжает Тищенко. – Запомним и пойдем дальше»…

Под действием плуга разрушенная почва движется по отвалу, сползая сплошным потоком. Так она приобретает кинетическую энергию, за счет которой и происходят оборот пласта, отбрасывание почвы в соседнюю борозду… Воздушный поток, обтекающий самолет, тоже приобретает кинетическую энергию. При этом поток закручивается в турбулентные вихри, которые еще долго вращаются и после того, как самолет пролетел.

На очереди вывод второй: часть энергии движущегося тела обязательно затрачивается и на сообщение кинетической энергии частицам, соприкасающимся с ним.

Наконец, третий вывод: и при движении плуга в почве, и при полете самолета обязательно трение, на преодоление которого расходуется часть энергии.

В итоге мы с вами, вслед за замечательным ученым, большим специалистом в области механизации сельского хозяйства академиком В. П. Горячкиным, придем к такому закону: «Любое тело, движущееся в среде, затрачивает энергию как на ее разрушение, раздвигание в стороны, так и на трение…»

А теперь посмотрим, какие затраты энергии полезны, а какие вредны.

Разрушение почвы лемехом, конечно, полезно – это и есть основная задача пахоты: взрыхлить землю, чтобы растениям было удобнее развиваться. А вот расходы на сжатие и трение вредны, они препятствуют выполнению основной задачи.

Раздвигание воздуха самолетом тоже полезно – иначе летательному аппарату просто негде было бы разместиться. А вот закручивать воздух вихрями, нагревать его трением о фюзеляж конструкторам не хотелось бы. Чтобы уменьшить нежелательные потери энергии, они стараются придать летательным аппаратам обтекаемую форму, подобрать такие материалы, когда бы обтекание было не турбулентным, вихревым, а ламинарным, т, е. спокойным, без завихрений.

Ну а что могут предложить конструкторы сельхозтехники? Тоже немало. В последние годы они провели целый ряд исследований по совершенствованию динамики плуга. Углы заточки лемехов, кривые лемешных отвалов подбираются так, чтобы почва разрушалась с наименьшими затратами энергии. А то порой даже могучие «Кировцы» оказываются не в силах тащить за собой многолемешные, широкозахватные плуги.

Одно из последних достижений аэродинамики – сотовое крыло. Кто о нем еще не слышал – два слова пояснения. Сотовым называется крыло, поверхность которого испещрена миллионами крошечных отверстий, прожигаемых лазером. Через них с поверхности крыла отсасывается турбулентный поток, и обтекание становится ламинарным, спокойным. Нечто подобное применили и в конструкции плугов: сплошные отвалы в некоторых случаях заменяют полосовыми, то есть испещренными щелями. И пожалуйста – сопротивление таких плугов, особенно на влажных глинистых почвах, сокращается на четверть, а то и на треть.

Еще одна аналогия с самолетостроением – использование специальных покрытий. Полимерные пленки позволяют уменьшить сопротивление самолета воздушному потоку на 10–15 %. На ту же величину снижается трение в почве, если на поверхность отвалов нанести скользкое пластиковое покрытие. А это, сами понимаете, экономит горючее, оборачиваясь сотнями тысяч рублей прибыли.

Правда, при трении о почву пластики довольно быстро истираются. Тогда стали использовать еще одну новинку «высокой технологии» – металлизированную пластмассу, у которой коэффициент трения пластика, а прочность – металла.

Но все это лишь одна сторона медали. Сторона другая: самолет за 100 лет из полотняной «этажерки» превратился в могучую машину. Плуг же за последние 200 лет принципиально не изменился. Почему? В немалой степени совершенствованию авиации способствовали усилия не только аэродинамики, но и двигателистов, создавших реактивные турбины. На полях же до сих пор урчат двигатели внутреннего сгорания…

Нет, реактивного трактора пока еще никто не придумал (разве что мальчишки из Краснодара). А вот реактивные плуги есть. Одна из разновидностей такого агрегата, разработанная в НПО «Целинсельхозмеханизация», используется для углубленного рыхления почвы.

«Исследования показали: нынешние “Кировцы” и им подобные «мастодонты», увы, уплотняют почву на глубину 70–90 см, – рассказывает заведующий лабораторией механизации обработки почвы и посева кандидат технических наук Г. З. Гайфуллин. – Так уплотняют, что даже бурьян не растет. Использовать для рыхления такой почвы обычные плуги – мало толку. Чтобы произвести вспашку на подобную глубину, на поле впору загонять спарку тяжелых тракторов. А они дополнительно прикатают землю»…

Что же придумали? Конструкция нового плуга-рыхлителя выглядит так. Острый и узкий лемех с тщательно подобранными углами резания позволяет с меньшими затратами энергии углубляться на нужные десятки сантиметров. А чтобы затем плугу было легче передвигаться в почве, вместо обычного отвала поставлен своеобразный винт-«пропеллер», или почвенная фреза. Она-то и является реактивным если не двигателем, то движителем.

Когда лемех продвигается в земле, взрыхленная им почва проворачивает лопасти фрезы. При этом происходит не только разрыхление уплотнений, но и подталкивание лемеха вперед и не как-нибудь, а за счет реактивной отдачи. Чтобы получить такой эффект, изобретателям пришлось немало потрудиться, призвав в союзники законы динамики сплошных сред.

И это лишь одна из новинок, которая роднит сельское хозяйство с авиацией. А слышали ли вы о плуге на воздушной подушке? Такую конструкцию придумал еще в 70-х годах XX века советский изобретатель А. А. Кузнецов. Отработанные газы тракторного двигателя он предложил подводить к специальным соплам, сделанным на поверхности лемеха. В итоге струйки сжатого воздуха дробят почву, а вдобавок как бы обволакивают поверхность стали, препятствуя налипанию почвы на лемеха и отвалы. При глубине вспашки до 35 см тяговое усилие снижается на 9–20 %.

А вот что предлагает московский профессор А. А. Дубровский. Вместо стальных корпусов на плуге устанавливаются вертикальные пластины с обтекаемыми утолщениями. Казалось бы, после прохода такого плуга в почве должна оставаться лишь узкая щель. Образуется же широкая полоса, тщательно взрыхленная на метровую глубину. Догадались почему? Правильно, в роли трудяги-крота выступает сжатый воздух. Вырываясь из трубок утолщений под давлением в несколько атмосфер, он не только подталкивает плуг за счет реактивной тяги, но и дробит почву, превращая ее в мягкую перину для семян. Прорастающие растения смогут быстрее развиваться, давая добрый урожай.

…Вот, оказывается, сколь много общего у сельского хозяйства и авиации. И это сходство, вероятно, специалисты используют еще не раз.

Зачем трактору «тапочки»?

Колесо или гусеница? Такая альтернатива уже давно стоит перед специалистами сельскохозяйственного тракторостроения. Дело в том, что нынешние тяжелые трактора изрядно калечат почву своими гусеницами, прикатывают ее, будто дорогу. И порою даже удивительно, как на множество раз «проутюженном» поле еще что-то растет?

Понятное дело, все это не устраивает как фермеров и других тружеников сельского хозяйства, так и разработчиков сельскохозяйственной техники. И кое-что для исправления положения они уже придумали.

Трактор в «галошах». Он резко выделялся в ряду других на выставке сельскохозяйственных машин, прошедшей в Москве на Красной Пресне. Прежде всего необычной формой гусениц. Они были… треугольными.

Сидевший в кабине сотрудник Научного автотракторного института (НАТИ) В. М. Пономаренко рассказывал об особенностях выставленной машины.

«Идея подобного трактора, что называется, витала в воздухе. Конструкторы – и наши, и за рубежом – давно пытались переместить центр тяжести гусеничной машины таким образом, чтобы получить оптимальное распределение весовой нагрузки по осям. Как правило, он смещен назад, в итоге задние катки получаются перегруженными, а удельное давление их на почву 1–1,5 кг/см² вместо оптимальных 0,45–0,5. Правда, у колесного “Кировца” дела обстоят еще хуже: при удельном давлении 2,5–3 кг/см² он уплотняет почву до метровой глубины».

Двойные шины не дают трактору увязнуть на поле

Положение усугубляется еще и тем, что большинство сельскохозяйственных орудий, прежде всего плуги, цепляют к трактору опять-таки сзади. Потому для противовеса на сравнительно легкие машины типа «Беларусь» и приходится навешивать перед капотом дополнительный груз, чтобы трактор не вставал на дыбы, словно норовистый конь. На Алтайском тракторном заводе попытались было перемещать двигатель по раме, чтобы его массой уравнивать нагрузку. Однако кардинально это не решило проблему.

В начале 90-х годов XX века американцы предложили расположить ведущий каток гусеницы выше ведомых – этаким треугольником. Вариант был апробирован на тракторах Д-10 и Д-9L и оправдал себя. Распределение массы по осям стало более равномерным.

Следующий шаг сделали специалисты НАТИ, создав сельскохозяйственный трактор общего назначения. Его двигателю мощностью 250 лошадиных сил оказалось вполне по силам тащить орудия, которые ныне выпускаются для супермощного «Кировца», а среднее удельное давление машины на почву удалось довести до 0,38 кг/см².

У детища НАТИ немало новшеств: трансмиссия с переключением передач на ходу, бесступенчатый механизм поворота, комфортабельная шумо– и виброзащищенная кабина… Но изюминка все-таки – гусеница. Она не только необычной формы, но и выполнена из весьма своеобразного материала.

«Нашим институтом разработано их два варианта: стальные с резинометаллическими шарнирами и целиком резиновые», – пояснил Пономаренко. Взаимодействия с почвой у резиноармированных гусениц почти такое же, что и у резиновых шин, а давление на грунт еще меньше из-за большей, чем у колеса, площади опоры. Такой трактор не вязнет в грунте даже в весеннюю распутицу. Стало быть, сельхозработы можно начинать на пару недель раньше.

Не причиняют «мягкие» гусеницы вреда и асфальтовому покрытию. Это особенно важно для Подмосковья, где на пути в поле сельхозтехника то и дело выезжает на магистральные автотрассы.

Резиновые гусеницы оказались столь же долговечными, что и стальные. Их ни разу не пришлось менять за 2,5 года испытания нового трактора в АО «Теряевское» Волоколамского района.

Пока, правда, используется японская резина, однако наши специалисты обещают в ближайшее время создать отечественный аналог подобной резины с теми же характеристиками.

«Так что приезжайте к нам в НАТИ, – пригласил Пономаренко. – Немало интересного увидите!»

Колесо с «копытами». У входа в корпус НАТИ стоят древний, начала века, трактор с огромными металлическими шипами на стальных колесах и современный, на резиновом ходу. Так сказать, наглядное напоминание о пройденном пути.

А в кабинете академика М. С. Сагова – генерального директора Научно-производственного объединения «БИОНИТ» при НАТИ, мне показали еще одну новинку – пластиковое колесо.

– Точнее, это адаптированный колесный движитель АКД, – пояснил Магомет Салиханович. – Подсказала нам его конструкцию сама природа… Вы обращали внимание, на пастбищах выпасают многочисленные стада крупного рогатого скота, табуны лошадей. Казалось бы, жесткие копыта животных должны истребить всю растительность. Так нет же, пастбища не гибнут, трава отрастает заново. Тогда почему раны, нанесенные живой природе гусеницами машин, не заживают десятилетиями?

Ответ вроде бы нам уже ясен – все дело в давлении, оказываемом машинами на почву. Но все не так просто. Ведь есть машины, у которых удельное давление значительно меньше, чем у животных.

Вывод? Разгадка не столько в силе, сколько в характере этого давления. Под ногами животных почва не переуплотняется, а, напротив, даже разрыхляется, чем улучшаются ее механические свойства. А коли так, не попытаться ли создать движители для машин, которые бы при соприкосновении с землей оказывали подобное же воздействие.

Однако реализовать идею оказалось непросто. Вот уже несколько десятилетий идут работы над разными модификациями шагоходов. Пока машины еще и не вышли за стены лабораторий и испытательных полигонов. Так как же они выглядят?

«Мы взяли за основу естественный принцип взаимодействия ноги и почвы, – продолжил свой рассказ академик Сагов. – Его механизм у животных отнюдь не одинаков. Скажем, у лошадей копыта цельные, у крупного рогатого скота – раздвоенные. А у верблюдов вообще нет твердых копыт, а этакие мозоли на подошвах. Нечто подобное и у северного оленя. Не кажется ли странным такое сходство у обитателей столь разных регионов – знойных пустынь и вечной мерзлоты?»

Но вспомним: сухой, сыпучий снег Заполярья сильно напоминает пески барханов. Это подтверждают и наблюдения – глубина погружения в почву ног этих животных при ходьбе и там, и здесь оказалась сходной.

Отсутствие же у оленя грубых копыт стало спасением тундры. Слой почвы здесь очень тонок, растительность весьма ранима, и «мягкая обувка» оленей не наносит вреда природе.

«Изучив эти премудрости, мы и попробовали использовать результаты наблюдений при создании новых движителей, – продолжал Магомет Салиханович. – Разработали несколько вариантов колес применительно к тем или иным видам почвы. Они не только не калечат землю, но и даже разрыхляют ее при переуплотнении».

На первый взгляд в новом колесе нет ничего хитрого. Лишь несколько видоизмененный протектор – с грунтозацепами различной формы для разного типа почв. Но в этом-то и все дело. Подобные грунтозацепы разрыхляют почву, словно папы роторного культиватора. Сделаны они из полиуретана, поскольку резина, изнашиваясь, засоряет почву вредными веществами.

Испытания показали и еще одно достоинство нового колеса. Оно меньше вязнет в рыхлой и размокшей почве. И это позволяет примерно на треть снизить энергозатраты при сельхозработах.

Пластиковые колеса куда долговечнее резиновых. За тракторный век те приходится менять 3–5 раз, затрачивая столько же средств, что и на саму машину. Срок же службы адаптированного колесного движителя равен агрегатному.

Наконец, тяговые свойства новых движителей за счет лучшего сцепления превосходят обычные колесные в 1,5–2 раза. Значит, трактора будут меньше буксовать, что опять-таки благотворно скажется на почве.

Словом, как видите, соревнование колеса и гусеницы продолжается.

Как корова на грядке выросла…

Однажды мне попался на глаза фантастический рассказ о том, как работники научной станции на Луне прослышали, что приехавший к ним сенатор-ревизор – большой любитель свежего молока. Для него два сотрудника и решили создать киберкорову. Не везти же настоящую с Земли?! Взяли они клетки коровьего вымени, заложили в биореактор, задали необходимый режим, и в надлежащий срок выросло нечто, способное давать молоко. Сенатор остался очень доволен, написал в отчете, что на лунной станции ведутся весьма ценные и полезные научные эксперименты…

«Стоило огород городить? – улыбнулся, услышав пересказ этой истории, Александр Подобедов. – Наша “корова” проще и покомпактнее. Вон на столе стоит»…

Действительно, на столе неподалеку стоял небольшой компактный агрегат. Он и отдаленно не напоминал кибера, тем более живую корову, но тем не менее исправно давал молоко. Правда, не совсем обычное – соевое.

«Давно пора накормить людей вкусно, калорийно и недорого, – пояснил ситуацию мой собеседник. – Вот мы и вспомнили о сое…» Краснодарская ассоциация переработчиков сои «АС Соя», генеральным директором которой и является мой новый знакомый, на дегустации в Москве организовала показ и дала попробовать журналистам целый ряд продуктов, производимых на основе этого растительного белка. Кто не знает, поясню: соя – в какой-то мере родственник обыкновенной фасоли и гороха, тоже относится к семейству бобовых.

Соя – родственница обыкновенной фасоли и гороха

В XIX веке посевы этой культуры можно было обнаружить лишь в странах Дальнего Востока да в Китае. Однако в начале XX века селекционер В. Золотницкий обнаружил, что соя прекрасно растет и у нас в Приамурье. Теперь это полезное растение продвинулось далеко на запад: в наши дни ее сеют на Ставрополье и Краснодарском крае. Она дает прекрасные урожаи бобов, которые очень богаты растительными белками, которые соя получает, перерабатывая азот из почвы. Правда, сами по себе бобы эти даже животные едят не очень охотно. Но вот если перемолоть сою на муку, а потом добавить к обычным кормам, то телята, например, от такой добавки растут намного быстрее обычного. В Краснодарском крае производством растительного белка начали заниматься в 1990 году. А спустя четыре года поняли, что соевый белок вполне могут использовать и люди. «В конце 90-х годов мы запустили первую “соевую корову”, – говорит директор. – А теперь их уже триста. Но все равно для России – это капля в море»…

Поначалу технологию хотели базировать на импортном оборудовании. Было закуплено 30 канадских машин. Но оказалось, что хотя и стоят они очень дорого, но имеют немало недостатков. Теперь подобные машины производят в России, и даже сами канадцы говорят, что наши машины получились лучше.

В общем, исследователи научно-технического центра ассоциации разработали оригинальные методики использования сои, новые технологии ее выращивания и переработки, в том числе и такие, каких еще нет на Западе. «А там, глядишь, кто-нибудь из космонавтов вывезет нашу “соевую корову” на орбиту, а то и отправится она на постоянное местожительство на Луну или даже Марс, – размечтался директор. – А что – вполне такое может быть: продукт-то она дает полезный»…