Двигатель.
Как хорошо весной прогуляться по лесу. Деревья, зеленеют, птички поют, цветочки пахнут. Благодать!
Совсем другое дело, когда нужно по такому лесу преодолеть километров сто, в стужу, под дождём и снегом. Да ещё собственными ножками. Тут уж не до романтических воздыханий!
Озабоченный такой нелестной перспективой древний человек осмотрелся вокруг. И заметил, как на сочных лужайках беззаботно разгуливают лошадки. Почему бы их не приучить?
Лошади легко приручаются, передвигаться, сидя на них куда комфортнее и быстрее, чем на собственных ногах.
И вот, примерно в 7-ом тысячелетии, человек научился ездить на лошади, она на долгие века стала основным средством передвижения.
До тех пор пока технический процесс удовлетворялся такими средствами, мускульная сила человека или лошади, дуновения ветра или течение рек, необходимости в новых источниках не возникало. С началом научно-технической революции семнадцатом веке, этих мощностей стало не хватать.
Первый паровой двигатель был изобретён ещё в древности Героном Александрийским, жившим во второй половине 1-го века нашей эры. Его двигатель представлял собой шар, который вращали вырывающиеся из него струи нагретого пара. Но, практического применения для современников он не нашёл, оставшись забавной игрушкой.
Первый паровой двигатель промышленного назначения был построен Томасом Севери в 1698 году.
В 1712 году изобретатель Ньюкомен соединяет паровую машину и насос и получает устройство, которое стало служить, в основном, для откачки воды в шахтах. Хотя его конструкция получилась довольно громоздкой, требовала большого количества топлива, она отличалась весьма большой по тем временам производительностью. Так в 1722 в Кронштадте при установке корабля в сухой док, паровой насос откачал воду за две недели, в то время, при использовании традиционных тогда ветряных мельниц этот процесс занимал целый год.
Но, человечеству требовался компактный двигатель, для перевозки грузов. Как известно, военное ведомство зачастую становится инициатором различных изобретений, двигающих технический прогресс.
В 1764 году французскому изобретателю Кюньо удалось пробиться на приём к министру обороны с проектом механического тягача для перевозки артиллерийских орудий. Ещё пять лет было потрачено на введения проекта в реальность.
Получилась у него довольно тяжёлая и плохо управляемая повозка.
И вот настал день испытаний. Сам Кюньо взгромоздился на эту самобеглую телегу при столпотворении различных высших военных лиц.
Машина набрала скорость, но, на повороте изобретатель не справился с управлением, и тележка с грохотом врезалась в кирпичную стену. Среди публики началась паника, с головы министра обороны сбили шляпу. Эта шляпа, втоптанная в грязь, и стала похоронным венком на изобретении Кюньо. Проект закрыли, саму машину передали в музей.
Сконструированный Уаттом в 1774 году, новый паровой двигатель позволили другому изобретателю Ричарду Тревику прийти к мысли о создании паровых машин, передвигающихся на специальных рельсовых путях. В 1803 году он сконструировал локомотив, для которого была построена первая железная дорога. Самым большим недостатков, с которыми столкнулся Тревик, был не сам паровоз, а рельсы, в то время изготовляемые из хрупкого чугуна, не выдерживающего веса тяжелого паровоза и тележек с грузом.
По другому пути пошёл Фултон. Он решил поставить паровую машину на морское судно. С этой идеей он обратился к Наполеону Бонопарту в 1802 году для переброски войск в Англию. Не будь великий завоеватель слаб в техническом отношении, исторические события могли бы пойти по другому руслу.
Потому первое испытание парохода произошло в США в 1807 году. Судно под названием «Пароход Северной Реки» успешно преодолел расстояние от Нью-Йорка до Олбани.
Решить окончательно проблему создания железнодорожного транспорта удалось Джорджу Стефенсону.
Свой первый паровоз он создал в 1814 году. Через 15 лет, 6 октября 1829 года его локомотив «Ракета» выиграл гонку паровозов, и с той поры железнодорожный транспорт получил широкое распространение.
В России паровоз собственной конструкции был создан на Нижне-Тагильском заводе в августе 1834 года крепостными крестьянами отцом и сыном Черепановыми. Его транспортное средство было совершеннее паровоза Стефенсона. Но, как это бывает, чиновники, не проявив интереса к отечественной разработке, стали закупать локомотивы в Англии.
В наше время железнодорожный транспорт стал существенной частью экономики страны, на смену паровозам пришли мощные тепловозы и электровозы.
Параллельно с изучением свойств воды, доведённой до состояния пара, и его практического использования пытливые умы занялись другим грозным явлением природы – электричеством.
Люди в древности сталкивались с электричеством во время грозы. Но, вот знаменитый греческий учёный Аристотель обратил внимание на удивительные свойства янтаря, или как его тогда называли электроном. Натёртый о шерсть янтарь притягивал к себе мелкие шерстинки и кусочки папируса.
Жители высокогорья и моряки были знакомы с другой формой электричества, это статистический разряд, возникающий на мачтах кораблей, высоких вершинах, кронах деревьев, так называемые огни святого Эльма.
Растущие потребности в увеличении мощности промышленных установок и её удешевление толкнуло учёных на путь практического использования электричества.
Толчком к разработке электрических установок стала открытая в 1820 году Гансом Христианом Эрстедом способность электричества воздействовать на стрелку магнитного компаса.
Основываясь на этом явлении, другой учёный Майкл Фарадей разработал теорию магнитной индукции, то есть способности магнитного поля вырабатывать электричество, случилось это 29 августа 1831 года.
Основными деталями электрического двигателя является неподвижная его часть статор и подвижная – ротор. Взаимодействие их магнитных полей, возникающих при прохождении электричества через эти две основные конструкции, приводит ротор в движение.
Источниками питания электродвигателей является аккумулятор, или батарея, и генератор.
Принцип работы батареи состоит на контакте разных металлов.
В 1786 году итальянский профессор в области физиологии Луиджи Гальвани обратил внимание на сокращение мышц задних лапок свежепрепарированных лягушек, подвешенных на медные крючки, при использовании стального скальпеля.
Другой итальянский учёный физик, Алессандро Вольта, заинтересовался этим явлением и пришёл к выводу, что дергаться лапки несчастной разделанной лягушки заставляет электрический ток, возникающий при взаимодействии меди и стали. Это и стало основой создания современных элементов питания в различных устройствах.
Что касается генератора, тот тут всё оказалось гораздо проще. В сущности, генератор, это тот же электродвигатель, только у него ротор вращается за счёт подведённой к нему механической силы, как поток воды, течение воздушных масс, мускульной силы.
Однако как сила пара, так электрические двигатели имели существенные недостатки. Для паровозов приходилось строить особые дороги, а электродвигатели очень зависели от источников питания.
Тогда изобретатели представили совершенно новый движитель – двигатель внутреннего сгорания.
Принцип работы двигателя внутреннего сгорания, ДВС, весьма прост: в камеру с поршнем подаётся газовая смесь, которая поджигается, она начинает расширяться, действуя на поршень, толкает его вниз. Особый кривошипный механизм превращает прямолинейное движение поршня в круговое.
Первый двигатель внутреннего сгорания построил в 1860 Этвен Ленуар. Но, его конструкция была весьма не совершенна, и её КПД составлял только 4%.
Немецкий последователь французского изобретателя Николас Отто усовершенствовал двигатель и тот достигал КПД уже 22%.
Но, добиться наиболее внушительного успеха в автомобилестроении удалось другому немцу Карлу Бенцу.
На своей велосипедной фабрике он установил двигатель на трёхколёсной основе.
По своей натуре Карл Бенц был, очевидно, не очень смел, и потому первый автопробег совершила его жена Берта.
Эта отважная дама лихо прокатилась по дороге до соседнего города, приведя в шоковое состояние почтенных бюргеров.
Особое впечатление она произвела на одного аптекаря, купив у него, пять литров бензина. Он убеждал всех, что фрау Бенц весьма чистоплотная женщина. Дело в том, что тогда не существовало бензозаправочных станций. Бензин продавали в аптеках и использовали его для очистки одежды.
Не смотря на широкое распространение в начале 20-го века бензиновых двигателей их применение из-за высокой пожарной опасности в некоторых технически областях было весьма ограничено, например, на кораблях, подводных лодках.
Отличие работы дизеля в том, что, смесь в нём самовозгорается посредством разогретого при сжатии воздуха, а не воспламенение от электрической искры, как у бензиновых двигателей.
27 февраля 1892 года Рудольф Дизель, в честь которого и назван новый двигатель, подал заявку на, как он его назвал «новый рациональный тепловой двигатель» в патентное бюро.
Первый действующий двигатель был создан в 1897 году при поддержке известного стального магната Фридриха Круппа. Он показал гораздо лучшие характеристики, чем бензиновые двигатели.
Сейчас уже невозможно представить нашу цивилизацию без двигателя внутреннего сгорания. Миллионы автомобилей заполнили наши дороги. Появились новые модификации двигателей, турбореактивные и реактивные.
Принцип их работы не сложен, любая паяльная лампа наглядная демонстрация их устройства. Сжатая горючая жидкость под давлением подаётся в камеру сгорание через небольшое отверстие, распыляется и воспламеняется. Единственная разница между реактивным и турбореактивным двигателями, в том, что в последнем раскалённые газы вращают особой конструкции турбину.
Человечество всегда мечтало проложить дорогу к звёздам. И тут на помощь пришёл принцип реактивного движения, известного ещё с далёких времён.
В древнем Китае реактивное движение при сгорании пороха, использовали для запуска фейерверков и ракет, поражающих противника. Один из китайских императоров, любуясь на полёт такой ракеты, решил достичь неба и встретиться с богами. По его приказу была построена огромная ракета, вершину которой венчало императорское кресло. Усевшись в этом кресле, император приказал поджечь фитиль. Раздался оглушительный взрыв, после того как дым развеялся слуги императора не обнаружили своего повелителя. Наивно решив, что их правитель достиг неба, они мирно разошлись по домам.
Так как в безвоздушном пространстве нет кислорода, поддерживающего горение, ракету приходится заполнять жидким кислородом, что делает космический полёт весьма не безопасным.
В настоящее время мощность двигателей постоянно увеличивается. Рекорд скорости на земле 1 227, 985 километров в час, был зарегистрирован на участке в одну Энди Трином в 1997 году. Этому автомобилю на реактивной тяге первому удалось преодолеть скорость звука.
Рекорд скорости реактивного самолёта был установлен ещё в 1976 году капитаном Элдоном У. Джоржем и майором Джоржем Т. Морганом – младшим. Они на самолете компании Локхид «SP-71 Блэкберд» 28 июля пролетели на участке 25 километров со скоростью 3529, 56 километров в час.
Человечество стремится с каждым годом увеличить скорость своего передвижения. Но, у современных двигателей есть несколько недостатков и две из них, пожалуй, самые главные это отрицательное их воздействие на окружающую среду и ограниченное количество нефти, из которой производится топливо для них.
Сейчас наука стоит на пороге нового рывка. Возможно, что новые открытия в области нанотехнологий позволит создать двигатель на принципиально новой основе. Имеющиеся сейчас электромобили слишком зависимы от источника питания, да и мощность у них маловато. Хотя первую задачу можно решить с помощью особых заправочных станций, на которых водитель будет не заряжать батареи, а просто менять их, сдавая разряженные и взамен получая готовые к использованию. Ну, что же, поживём, увидим, остаётся только надеяться на то, что учёные найдут выход из этого технологического тупика. Иначе человечество будет ждать не радостное будущее.