Чудеса техники

Кто бороздит морские просторы?

Слово «пароход» сегодня уже устарело, хотя пар на водном транспорте работать не перестал. На смену поршневым паровым машинам пришла паровая турбина. Она трудится и на огромных океанских лайнерах, и на подводных лодках.

Эти суда напоминают плавучие электростанции. На них либо сжигают топливо, либо получают тепло в ядерных реакторах. И там и там выделенная энергия идет на нагрев воды, превращаемой в пар, а тот уже крутит турбину, в свою очередь вращающую электрический генератор. Электричества вырабатывается столько, что его хватает и на вращение гребных винтов, и на освещение судна. Пассажирское судно в океанских водах видно ночью за многие километры – словно плывущий город, усыпанный огнями.

Началось строительство турбинных судов чуть более ста лет назад. А в начале XXI века отметили столетие и теплоходы, в работе которых используется двигатель внутреннего сгорания, прежде всего – дизельный. Турбины и дизели движут большинство известных ныне судов – и пассажирских, и грузовых, и промысловых, и военных.

Перевозки по воде относительно дешевы, поэтому на их долю ложится транспортировка огромных количеств руды, строительных материалов, топлива. Порой же просто нет другого способа доставки той же, скажем, нефти через океан, потому-то и возник целый танкерный флот.

Перенести аэродром с самолетами поближе к границам потенциального противника призваны авианосцы. Мощнейшие ледоколы не только проводят через льды караваны торговых судов, но готовы доставить туристов аж на Северный полюс! Морские паромы словно перебрасывают мосты между удаленными берегами, перевозя на себе длинные железнодорожные составы.

Судовая автоматика берет сегодня на себя столько функций, что даже крупным кораблем способен управлять в принципе один человек. Его команды об изменении скорости хода или курса передаются непосредственно на исполнительные механизмы, меняющие режим работы двигателя и направление движения судна, минуя занимавшихся этим членов экипажа.

Можно долго перечислять, какие же корабли «мастера на все руки». Но, положа руку на сердце, признаем, что если нам понадобится куда-нибудь быстро добраться, о них мы подумаем в последнюю очередь. Однако вспомним изобретателей, пытавшихся сделать их как можно более быстроходными.

Как уменьшить сопротивление воды?

Слова «плавно» и «плавать» близки по звучанию. Изящное скольжение по водной поверхности создает иллюзию легкого, без противодействия хода. Однако малые усилия двигателей требуются лишь при старте, когда вода практически не оказывает сопротивления. Но с увеличением скорости увеличивается и сопротивление воды.

Вода почти в тысячу раз плотнее воздуха. От нее удобно отталкиваться, но она же и ощутимый тормоз. Какие бы гладкие очертания ни придавали корпусам кораблей, как ни изучали плавание рыб и дельфинов в поисках уменьшения сопротивления – не помогало. Для увеличения скорости в два раза необходимо развивать в восемь раз большую мощность, что приводит к огромным затратам топлива. Поэтому не стоит удивляться тому, что скорости лучших морских пассажирских судов не превышают семидесяти километров в час, речных – тридцати, а уж ледоколов и грузовых судов и того меньше.

Правда, эти данные касаются тех кораблей, которые глубоко «сидят» в воде. А вот если бы удалось часть корпуса приподнять во время движения, переместить из воды в воздух, сопротивление значительно упало бы. Идея эта давняя, сперва ее реализовали в глиссерах – небольших судах, задирающих во время движения нос. Но даже на спокойной воде им приходится «клевать», чего уж говорить о волнении.

Решило проблему быстрого, устойчивого и экономного перемещения по воде изобретение корабля на подводных крыльях. Патент на них получил российский подданный еще в 1891 году, но до постройки подобного судна должно было пройти более шести десятилетий. Все вы, наверное, видели «Ракеты» и «Метеоры», плавно «вырастающие» из воды при наборе скорости и скользящие по ней, легко обгоняя баржи и теплоходы.

Сейчас российский скоростной флот поредел, но за рубежом популярность этих судов не убывает. Скажем, в Греции закупили все наши списанные, отслужившие свое «Кометы», отремонтировали и стали перевозить на них пассажиров между многочисленными островами. Даже памятник «Комете» поставили!

Конечно, корабли на подводных крыльях – не предел устремлений судостроителей. Возможно, вскоре мы увидим несущиеся над волнами машины, в конструкции которых объединятся как известные, так и немыслимые сегодня идеи изобретателей.

Железнодорожный транспорт

А поезда все нет,
пора б ему прийти!
Вот раздался свисток,
дым по дороге взвился…
И, тяжело дыша,
как бы устав в пути,
Железный паровоз
пред ним остановился.

    А. Апухтин

Приятно, конечно, не торопясь передвигаться по речной или морской глади – сама вода словно смазка. Да ведь до воды еще добраться надо, а как нелегко толкать или тянуть грузы посуху, даже на колесах! Вот и стали употреблять лет четыреста назад вместо тачек вагонетки, катящиеся по деревянным рельсам. Для прочности дороги рельсы укладывали на поперечные бруски – шпалы. Затем на смену дереву пришел чугун: рельсы служили теперь дольше, да и катить по ним вагонетки стало легче. На рудниках и заводах появились целые составы из груженых вагонеток, движимых лошадьми.

Всех вроде бы такой вид транспорта устраивал, и долго бы еще лошади шли между рельсами по «конно-чугунным» дорогам. Но к началу девятнадцатого века из-за наполеоновских войн в Европе резко подскочили цены на овес – «топливо» для лошадей. С другой стороны, в одной только Англии тогда добывали 10 миллионов тонн каменного угля в год. И главное – уже была изобретена паровая машина, потреблявшая тот самый уголь.

Нетрудно догадаться, к чему привело стечение этих обстоятельств – появился паровоз. Быстро расправившись с лошадью, новое средство передвижения стало завоевывать целые континенты. «Добежало» оно и до нашего времени, правда, неузнаваемо изменившись…

Где «родился» паровоз?

Изобретателям паровоза пришлось столкнуться сразу со многими необычными проблемами. Первая: вместо того чтобы уменьшить сопротивление движению, трение колеса о рельс следовало увеличить, иначе – пробуксовка! Получалось, что паровоз легким быть не мог. Увеличение же его веса вело к давлению на рельсы и, через них, на почву. Еще проблема: уже при малых подъемах пути тяга паровоза заметно уменьшалась.

Немало подобных трудностей пришлось преодолеть, прежде чем в Англии родились «огнедышащие чудовища», способные перевозить по рельсам десятки тонн грузов, обгоняя лошадей. Чтобы убедить скептиков, проводили конкурсы. Их устроители ставили перед конструкторами жесткие требования, оговаривая и стоимость паровозов, и число их колес, и вес, и ширину рельсовой колеи.

Вот на таком конкурсе, когда заказчики хотели определить лучший паровоз для железной дороги между английскими городами Манчестером и Ливерпулем, победителем стала вошедшая в историю «Ракета» Стефенсона. Она могла тянуть вагон с 36 пассажирами и при этом мчаться с невиданной для той поры скоростью – 38 километров в час.

Но все эти рекорды ничего бы не стоили, если бы железные дороги не доказали свою надежность и экономическую выгоду. А то выходило, что из Америки в Ливерпуль парусные суда доставляли хлопок за три недели, а там он надолго, порой на месяцы, застревал, поскольку до Манчестера суда с хлопком тащили по каналам лошади, а зимой такое снабжение вообще замирало. Другой пример: стоимость и время проезда по той же трассе уменьшались в 2–3 раза, стоило пассажиру пересесть с дилижанса (конного экипажа) на поезд.

Довольно быстро стало ясно, что диковинный транспорт очень удобен и прибылен. Буквально в течение нескольких лет в одной только Англии сеть железнодорожного сообщения разрослась до нескольких тысяч километров. Убедившись в преимуществах паровозной тяги, и в других странах стали бурно расширять строительство новых магистралей. Вот примеры: с 1850 по 1900 год протяженность железных дорог увеличилась в Германии в 9 раз, во Франции – в 13, а в России – более чем в 100 раз. В 1869 году была построена первая трансконтинентальная линия, от Нью-Йорка до Сан-Франциско. К концу XIX века железные дороги, словно паутина, опутали поверхность земного шара. Этот вид транспорта стал основным на суше.

Сегодня можно, не выходя из вагона, совершить путешествие по нескольким материкам. Правда, при этом вашему составу не раз сменят оси из-за разной ширины рельсовой колеи. Тем не менее, начав путь в Северной Африке, вы через Европу и Азию доберетесь до Вьетнама, проехав более 16 тысяч километров.

Подводные туннели соединили железные дороги Великобритании и материковой Европы, Японские острова. Огромные мосты перекинулись через великие реки и широкие проливы. В дореволюционной России, активно прокладывающей новые магистрали, предполагалось покрыть ими всю Сибирь и даже… протянуть железную дорогу через Берингов пролив в Америку. Увы, этим планам не суждено было сбыться…

Что пришло паровозу на смену?

Долгое время у паровоза не было конкурентов. Однако требовалось перевозить все больше грузов и пассажиров со все большей скоростью. А паровая машина, приводившая в движение поезда, была отнюдь не самым совершенным двигателем.

Много чего изобрели инженеры и конструкторы для повышения эффективности паровой тяги. Знаете ли вы, к примеру, как работает скороварка? Благодаря герметичной крышке температура кипения воды в ней возрастает и пища готовится быстрее. Вот и в паровом котле можно увеличить температуру, а значит и давление пара, что сделает машину более мощной и эффективной.

Правда, рост давления повышает опасность взрыва. Но вспомните: на крышке скороварки укреплен предохранительный клапан. Как только давление превысит допустимую величину, клапан открывается и «сбрасывает» его, выпуская клубы пара и производя порой оглушительный свист.

Так же и в паровозных котлах установлена система, позволяющая увеличивать давление пара, но регулировать его, не допуская до опасной отметки. Кстати, и паровозный свисток или гудок действовали благодаря струе вырывающегося пара.

Тем не менее, несмотря на большое количество усовершенствований, в начале XX века стало очевидным, что паровозу все труднее соперничать со своими «младшими братьями» – автомобилем и, чуть позже, самолетом. Чтобы сохранить пусть даже не лидерство, а просто устойчивые позиции в деле перевозки грузов и людей, железным дорогам пришлось переходить на новую, более современную тягу. На место паровозов стали приходить газотурбинные локомотивы (они повысили коэффициент полезного действия машины в 2 раза – до 18 %!). Всем вам хорошо знакомы тепловозы, двигателем которых является дизель. Эти мощные машины способны тянуть огромные и тяжелые составы, развивая при этом скорость выше ста километров в час.

Но подлинные перемены на железнодорожном транспорте начали происходить с постройкой машин, получающих энергию по проводам, – электровозов. Уже более ста лет электрическая тяга применяется на транспорте и прежде всего с ней связывали дальнейшее развитие железных дорог. Электровозу, так же как электричке, трамваю, метропоезду, не надо перевозить на себе топливо. Энергия, необходимая для его передвижения, вырабатывается на электростанциях, а затем подводится, причем на значительные расстояния, к бегущему по рельсам электровозу. На нем, в сущности, должны быть лишь электрический двигатель и система управления.

Когда в 1863 году в Лондоне пустили первую в мире подземную железную дорогу, на открытые платформы вступили разодетые по случаю торжественного события пассажиры. Надо было видеть их на конечной станции подземки! Чихающие и кашляющие, они были с ног до головы покрыты сажей и копотью. И только с введением электрической тяги подземка стала походить на современный метрополитен.

Понятно, что новый, значительно более чистый и быстроходный вид транспорта нашел широкое применение. Электрифицированы тысячи километров железнодорожных путей, электрички соединили крупные промышленные центры с пригородами, десятки городов уже невозможно представить без метро или скоростных, порой «спрятанных» под землю, трамваев.

Но такой бурный рост породил и новые проблемы…

Как управлять движением?

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.