Эволюция транспортных средств – магистрали и тупики на пути прогресса
0
Эта статья разделена на несколько частей, остальные части вы можете найти здесь:
- Часть 1
- Часть 2
Движенья нет, сказал мудрец брадатый.
Другой смолчал и стал пред ним ходить.
Сильнее бы не мог он возразить…
(А. С. Пушкин, «Движенье»)
Жизнь любого живого существа проходит в почти непрерывном движении. Мы не исключение, но… Цивилизованные сообщества людей отличаются умом, сообразительностью и природной ленью – двигателем прогресса. Поэтому цивилизации развивались вместе с облегчающими жизнь и дающими свободу передвижения транспортными средствами.
Некоторые изобретения оказались гениальными и пережили многие тысячелетия (колесо), другие были менее удачными и быстро покрывались пылью забвения, иной раз предварительно уводя творцов с магистральной дороги прогресса в тупик. Перемещение грузов и пассажиров происходило во всех трех стихиях – на суше, на воде и в воздухе. Рассмотрим некоторые примеры неудачных конструкторских решений.
Передвижение по земле происходит в большинстве случаев по горизонтали (или под относительно небольшим углом к этой воображаемой линии). Транспортные средства могут обеспечивать некоторую свободу выбора направления (это колесные и гусеничные движители), либо быть привязанными к определенному маршруту (как рельсовые средства). Отдельная категория – механизмы для перемещения по вертикали, то есть лифты.
Глядя на привычные современные лифты, можно подумать, что такими они были всегда. Как бы не так: история грузоподъемных механизмов насчитывает многие века и включает несколько интересных технологических решений, так и не получивших широкого распространения. Первые лифты (точнее, подъемники) появились, вероятно, в античности. По легенде, с их помощью перемещались актеры во время театральных представлений, которые ставил и наблюдал известный ценитель театра и по совместительству император – Нерон. Задолго до этого подъемную машину построил, якобы, Архимед. Возможно, он задействовал в своей конструкции рычаги и блоки собственной разработки.
В хрониках середины VI века упоминаются «лифты» монастыря Святой Екатерины на Синайском полуострове. По сути, это были деревянные ящики, которые подтягивали на веревках, таким образом доставляя паломников и грузы через стены высотой одиннадцать метров (ворота были замурованы для защиты от набегов кочевников). Аналогичные устройства можно было встретить в горных монастырях Тибета.
В конце XVIII века для Зимнего дворца в Санкт-Петербурге был построен первый в России пассажирский лифт («подъемное кресло»), к этому устройству приложил руку известный изобретатель Иван Кулибин. Механизм подъема был винтовым, он появился на шестьдесят лет раньше винтового лифта в нью-йоркском отеле Fifth Avenue. Кабина в американской конструкции перемещалась протянувшимся от подвала до чердака стальным винтом, вращала его паровая машина. Кабину от вращения удерживал вертикальный рельс. Это техническое решение оказалось чрезмерно дорогим и тихоходным, и появление надежных тросовых систем навсегда отправило его в архив тупиковых технологий.
В 1870 году американец Сайрус Болдуин (Cyrus W. Baldwin) запатентовал гидропневматический лифт, в котором работу выполняла вода. Трос от кабины уходил вверх и через блок снова вниз, к массивному поплавку в идущей параллельно лифтовой шахте герметичной трубе. Для подъема кабины сверху в трубу заливалась вода из емкости на крыше здания, поплавок начинал опускаться и поднимать кабину. Для спуска оператор дергал другой трос, открывая клапан в поплавке и выпуская воду вниз, в расположенный в подвале бак. Из нижнего бака в верхний вода перекачивалась насосом. Останавливалась кабина ручным тормозом. Умелый оператор мог заставить такую конструкцию двигаться с впечатляющей скоростью – до 550 м/мин.
Только вот необходимость строительства дополнительной водонепроницаемой шахты сильно увеличивала стоимость, да и вопросы безопасности сильно зависели от надежности тормоза и мастерства оператора – дальнейшего развития этот интересный проект не получил. Более совершенные гидравлические подъемники, а затем и лифты с электролебедками отправили гидропневматический лифт в исторический тупик.
Гидравлические лифты впервые заработали в 1876 году, впоследствии они были использованы на Эйфелевой башне и показали неплохую скорость, но… высокие базовая стоимость и эксплуатационные расходы на долгие годы отправили системы такого типа на скамейку запасных. Лишь относительно недавно, с появлением современных технологий, они вновь получили распространение, в основном в малоэтажных строениях.
Думаете, кабина гидравлического лифта поднимается и опускается непосредственно штоком гидроцилиндра? Вовсе нет, он просто приводит в движение систему тросов и блоков. Но в Британии конца XIX века существовали и гидравлические лифты, в которых грузовая платформа крепилась непосредственно на плунжер. Для малоэтажных европейских зданий эта схема, заимствованная у гидравлических прессов, вполне подходила. К тому же, жители Европы почему-то с опаской относились к грузоподъемным машинам, использовавшим канаты и блоки.
Реечный механизм подъема с электроприводом был впервые представлен в 1880 году германской фирмой Siemens & Halske. Сегодня такая схема применяется в некоторых промышленных подъемниках, например, используемых при строительстве высотных зданий.
Довольно экзотичными были и пневматические лифты (иногда их называют аэролифтами), в которых движение кабины вверх осуществляется посредством создания избыточного давления в той части лифтовой шахты, что находится под кабиной. Очевидный недостаток – необходимость хорошей герметизации шахты, а преимущество – плавность хода и безопасность. Пневмолифты и сегодня существуют, такая конструкция относительно легко вписывается в архитектуру готовых малоэтажных коттеджей и многоуровневых квартир.
В наше время функции лифтов во многих случаях выполняют эскалаторы и траволаторы. Кстати, в русский язык слово «лифт» пришло из английского – глагол to lift означает «поднимать». Занятно, но в англоговорящих странах лифт чаще называется elevator.
В основном, это системы с колесными движителями. В своем развитии колесо прокатилось по невероятно длинному пути, изменяя первоначальный вид практически до неузнаваемости и принимая великое множество форм.
Каждый из нас хоть раз в жизни ездил на велосипеде и хорошо представляет себе его современную конструкцию. Но такой она была не всегда. Собственно, что такое велосипед? Индивидуальное средство передвижения на двух колесах, приводимое в действие мускульной силой седока и позволяющее передвигаться быстрее и с меньшим расходом энергии. Первое подобное средство в конце XVIII века имело с современным великом не так уж много общего. Селерифер представлял собой деревянный брус на двух колесах, без руля, тормоза и даже седла – некоторое упрощенное подобие знакомого детям самоката. Отважившийся на столь некомфортное путешествие ездок отталкивался от земли ногами, поджимал их и проезжал небольшое расстояние по инерции.
В 1814 году на самокате появились седло и руль, после чего он уже мог по праву считаться средством передвижения, притом довольно быстрым. В 1818 году было запатентовано название «велосипед» (в вольном переводе с латыни «быстроног»), но в народе его, со всеми на то основаниями, прозвали костотрясом. Лишь в шестидесятых годах XIX века велосипед обрел металлическую раму и легкие колеса с проволочными спицами, в 1870 – педали с цепной передачей на заднее колесо, а в 1885 – пневматические шины. Деревянные селериферы-костотрясы навсегда остались в исторических хрониках и на старинных гравюрах.
Первую в истории механическую повозку задумал примерно в 1478 году один из величайших мыслителей – Леонардо да Винчи. В его набросках присутствует деревянная тележка на трех колесах, приводимая в движение пружинным двигателем. До появления первых прототипов автомобилей оставалось еще три века: лишь в 1769 году была построена телега Кюньо с паровым двигателем. Совсем недавно флорентийские инженеры смогли воссоздать агрегат Да Винчи – и он проехал почти сорок метров! Но все же пружинный двигатель толкал тележку в тупик: энергия сжатой пружины слишком мала для передвижения транспортного средства, она использовалась и используется только в игрушечных авто.
В дальнейшем в качестве источника энергии для самодвижущихся агрегатов предлагались и применялись: паровая машина, электромотор, двигатели внутреннего и внешнего сгорания, супермаховик, газовая турбина, реактивный двигатель и даже атомный реактор (с ним, правда, дальше проекта дело не пошло).
Паровой двигатель из-под капотов автомобилей в начале XX века был довольно быстро вытеснен бензиновыми и дизельными моторами: здесь сыграли свою роль их более высокий КПД, быстрый старт, меньший вес и более технологичная конструкция. Отдельные попытки создания автомобильного парового двигателя в конце прошлого века успеха так и не имели – эта дорога тоже превратилась в тупик.
Не повезло и ракетным двигателям на колесных шасси. Их успехи в наземном транспорте не идут ни в какое сравнение с применением в авиационной и ракетной технике. В начале 1928 года фирма Opel испытала свой гоночный автомобиль с твердотопливным ракетным двигателем, через год аналогичные твердотопливные ускорители пристроили к мотоциклу. Впрочем, несколькими рекордными заездами эта история и закончилась. Ракету с автомобилем скрестить не удалось. Даже более поздние попытки использовать уже не ракетный, а реактивный двигатель предпринимались только для установления рекордов скорости на гладкой поверхности высохших соляных озер. Хотя, совсем недавно, группа энтузиастов приделала турбореактивный двигатель от вертолета к… мотоциклу. «Садиться на хвост» этому чудищу не сто́ит: с этой стороны он напоминает работающий огнемет.
На волне глобального увлечения мирным атомом, в 1958 году, компания Ford представила концепт-кар Ford Nucleon. На него хотели установить компактный ядерный реактор для получения пара высокого давления, который должен был питать турбины электрогенератора и привода колес. Он так и остался концептом – отсутствие компактных реакторов и легкой, но надежной биологической защиты загнало этот Нуклеон в тупик.
Тем не менее, уже в 1962 году той же компанией был предложен во многом обогнавший свое время проект Seattle-ite XXI. В качестве силовой установки предполагалось использовать топливные элементы, либо все же компактное ядерное устройство. Топливные элементы только-только подходят к фазе реального массового применения, а подходящего атомного источника энергии так и не придумали. Да и две передние ведущие и управляемые оси на легковых автомобилях до сих пор не используются. Все, теперь точно конец пути – атомомобилей в обозримом будущем не предвидится.
Маховик в качестве накопителя энергии известен человечеству с незапамятных времен – это гончарный круг и детский волчок. Лишь через тысячи лет после их появления, в середине XX века, развитие технологий позволило инженерам испробовать маховик в качестве эффективного аккумулятора энергии для транспортных средств. Гиробусы некоторое время эксплуатировали в Швейцарии, Бельгии и, как ни странно, в Конго. Их рассматривали как альтернативу троллейбусам и аккумуляторным автобусам, но эксперимент успехом не увенчался. Все проекты были вскоре закрыты.
Еще раз маховики планировали приспособить для рекуперации тормозной энергии общественного транспорта в самом конце прошлого века, но продолжения эти работы не получили. Использовать супермаховик из углеродного нановолокна заманчиво, но слишком дорого и небезопасно. Теоретически он может накапливать более 50 кВт-ч/кг, но в случае разрыва (а линейную скорость обода можно сравнить со скоростью астероида) вращающегося в вакууме устройства этот килограмм рванет, как сорок килограммов тротила.
На транспорте супермаховики так и не прижились – появление мотор-колес, мотор-генераторов и долговечных аккумуляторных батарей большой емкости похоронило эту идею. А вот в электроэнергетике они очень перспективны. На исходе прошлого века американцы разработали, а в начале нынешнего начали производство супермаховиков для регулирования мощности (до 20 МВт) и частоты в промышленных электросетях.
Одноколесный транспорт – моноциклы – появились практически одновременно с велосипедами. Считалось, что колесо большого диаметра легко преодолеет любые препятствия (собственно, и у первых велосипедов переднее колесо отличалось изрядным размером) – большинство дорог в те времена были грунтовыми. Но удерживать равновесие на такой конструкции непросто, а падать с нее больно, поэтому современные моноциклы с небольшими колесами можно увидеть разве что в цирке.
Иное дело – интроцикл, то есть огромное колесо, внутри которого сидит водитель. В первых проектах интроциклисту приходилось крутить педали, но очень скоро эти средства передвижения стали оснащать двигателями. Отдельные конструкции показали впечатляющую скорость (более 150 км/час), но, невзирая на все ухищрения конструкторов, в серию они так и не пошли, оставаясь техническими курьезами и средством развлечения для любителей экстремальной езды.
Другой смолчал и стал пред ним ходить.
Сильнее бы не мог он возразить…
(А. С. Пушкин, «Движенье»)
Жизнь любого живого существа проходит в почти непрерывном движении. Мы не исключение, но… Цивилизованные сообщества людей отличаются умом, сообразительностью и природной ленью – двигателем прогресса. Поэтому цивилизации развивались вместе с облегчающими жизнь и дающими свободу передвижения транспортными средствами.
Некоторые изобретения оказались гениальными и пережили многие тысячелетия (колесо), другие были менее удачными и быстро покрывались пылью забвения, иной раз предварительно уводя творцов с магистральной дороги прогресса в тупик. Перемещение грузов и пассажиров происходило во всех трех стихиях – на суше, на воде и в воздухе. Рассмотрим некоторые примеры неудачных конструкторских решений.
На суше
Передвижение по земле происходит в большинстве случаев по горизонтали (или под относительно небольшим углом к этой воображаемой линии). Транспортные средства могут обеспечивать некоторую свободу выбора направления (это колесные и гусеничные движители), либо быть привязанными к определенному маршруту (как рельсовые средства). Отдельная категория – механизмы для перемещения по вертикали, то есть лифты.
Лифты (движение по вертикали)
Глядя на привычные современные лифты, можно подумать, что такими они были всегда. Как бы не так: история грузоподъемных механизмов насчитывает многие века и включает несколько интересных технологических решений, так и не получивших широкого распространения. Первые лифты (точнее, подъемники) появились, вероятно, в античности. По легенде, с их помощью перемещались актеры во время театральных представлений, которые ставил и наблюдал известный ценитель театра и по совместительству император – Нерон. Задолго до этого подъемную машину построил, якобы, Архимед. Возможно, он задействовал в своей конструкции рычаги и блоки собственной разработки.
В хрониках середины VI века упоминаются «лифты» монастыря Святой Екатерины на Синайском полуострове. По сути, это были деревянные ящики, которые подтягивали на веревках, таким образом доставляя паломников и грузы через стены высотой одиннадцать метров (ворота были замурованы для защиты от набегов кочевников). Аналогичные устройства можно было встретить в горных монастырях Тибета.
В конце XVIII века для Зимнего дворца в Санкт-Петербурге был построен первый в России пассажирский лифт («подъемное кресло»), к этому устройству приложил руку известный изобретатель Иван Кулибин. Механизм подъема был винтовым, он появился на шестьдесят лет раньше винтового лифта в нью-йоркском отеле Fifth Avenue. Кабина в американской конструкции перемещалась протянувшимся от подвала до чердака стальным винтом, вращала его паровая машина. Кабину от вращения удерживал вертикальный рельс. Это техническое решение оказалось чрезмерно дорогим и тихоходным, и появление надежных тросовых систем навсегда отправило его в архив тупиковых технологий.
В 1870 году американец Сайрус Болдуин (Cyrus W. Baldwin) запатентовал гидропневматический лифт, в котором работу выполняла вода. Трос от кабины уходил вверх и через блок снова вниз, к массивному поплавку в идущей параллельно лифтовой шахте герметичной трубе. Для подъема кабины сверху в трубу заливалась вода из емкости на крыше здания, поплавок начинал опускаться и поднимать кабину. Для спуска оператор дергал другой трос, открывая клапан в поплавке и выпуская воду вниз, в расположенный в подвале бак. Из нижнего бака в верхний вода перекачивалась насосом. Останавливалась кабина ручным тормозом. Умелый оператор мог заставить такую конструкцию двигаться с впечатляющей скоростью – до 550 м/мин.
Только вот необходимость строительства дополнительной водонепроницаемой шахты сильно увеличивала стоимость, да и вопросы безопасности сильно зависели от надежности тормоза и мастерства оператора – дальнейшего развития этот интересный проект не получил. Более совершенные гидравлические подъемники, а затем и лифты с электролебедками отправили гидропневматический лифт в исторический тупик.
Гидравлические лифты впервые заработали в 1876 году, впоследствии они были использованы на Эйфелевой башне и показали неплохую скорость, но… высокие базовая стоимость и эксплуатационные расходы на долгие годы отправили системы такого типа на скамейку запасных. Лишь относительно недавно, с появлением современных технологий, они вновь получили распространение, в основном в малоэтажных строениях.
Думаете, кабина гидравлического лифта поднимается и опускается непосредственно штоком гидроцилиндра? Вовсе нет, он просто приводит в движение систему тросов и блоков. Но в Британии конца XIX века существовали и гидравлические лифты, в которых грузовая платформа крепилась непосредственно на плунжер. Для малоэтажных европейских зданий эта схема, заимствованная у гидравлических прессов, вполне подходила. К тому же, жители Европы почему-то с опаской относились к грузоподъемным машинам, использовавшим канаты и блоки.
Реечный механизм подъема с электроприводом был впервые представлен в 1880 году германской фирмой Siemens & Halske. Сегодня такая схема применяется в некоторых промышленных подъемниках, например, используемых при строительстве высотных зданий.
Довольно экзотичными были и пневматические лифты (иногда их называют аэролифтами), в которых движение кабины вверх осуществляется посредством создания избыточного давления в той части лифтовой шахты, что находится под кабиной. Очевидный недостаток – необходимость хорошей герметизации шахты, а преимущество – плавность хода и безопасность. Пневмолифты и сегодня существуют, такая конструкция относительно легко вписывается в архитектуру готовых малоэтажных коттеджей и многоуровневых квартир.
В наше время функции лифтов во многих случаях выполняют эскалаторы и траволаторы. Кстати, в русский язык слово «лифт» пришло из английского – глагол to lift означает «поднимать». Занятно, но в англоговорящих странах лифт чаще называется elevator.
Безрельсовый транспорт
В основном, это системы с колесными движителями. В своем развитии колесо прокатилось по невероятно длинному пути, изменяя первоначальный вид практически до неузнаваемости и принимая великое множество форм.
Велосипед
Каждый из нас хоть раз в жизни ездил на велосипеде и хорошо представляет себе его современную конструкцию. Но такой она была не всегда. Собственно, что такое велосипед? Индивидуальное средство передвижения на двух колесах, приводимое в действие мускульной силой седока и позволяющее передвигаться быстрее и с меньшим расходом энергии. Первое подобное средство в конце XVIII века имело с современным великом не так уж много общего. Селерифер представлял собой деревянный брус на двух колесах, без руля, тормоза и даже седла – некоторое упрощенное подобие знакомого детям самоката. Отважившийся на столь некомфортное путешествие ездок отталкивался от земли ногами, поджимал их и проезжал небольшое расстояние по инерции.
В 1814 году на самокате появились седло и руль, после чего он уже мог по праву считаться средством передвижения, притом довольно быстрым. В 1818 году было запатентовано название «велосипед» (в вольном переводе с латыни «быстроног»), но в народе его, со всеми на то основаниями, прозвали костотрясом. Лишь в шестидесятых годах XIX века велосипед обрел металлическую раму и легкие колеса с проволочными спицами, в 1870 – педали с цепной передачей на заднее колесо, а в 1885 – пневматические шины. Деревянные селериферы-костотрясы навсегда остались в исторических хрониках и на старинных гравюрах.
Автомобиль
Первую в истории механическую повозку задумал примерно в 1478 году один из величайших мыслителей – Леонардо да Винчи. В его набросках присутствует деревянная тележка на трех колесах, приводимая в движение пружинным двигателем. До появления первых прототипов автомобилей оставалось еще три века: лишь в 1769 году была построена телега Кюньо с паровым двигателем. Совсем недавно флорентийские инженеры смогли воссоздать агрегат Да Винчи – и он проехал почти сорок метров! Но все же пружинный двигатель толкал тележку в тупик: энергия сжатой пружины слишком мала для передвижения транспортного средства, она использовалась и используется только в игрушечных авто.
В дальнейшем в качестве источника энергии для самодвижущихся агрегатов предлагались и применялись: паровая машина, электромотор, двигатели внутреннего и внешнего сгорания, супермаховик, газовая турбина, реактивный двигатель и даже атомный реактор (с ним, правда, дальше проекта дело не пошло).
Паровой двигатель из-под капотов автомобилей в начале XX века был довольно быстро вытеснен бензиновыми и дизельными моторами: здесь сыграли свою роль их более высокий КПД, быстрый старт, меньший вес и более технологичная конструкция. Отдельные попытки создания автомобильного парового двигателя в конце прошлого века успеха так и не имели – эта дорога тоже превратилась в тупик.
Не повезло и ракетным двигателям на колесных шасси. Их успехи в наземном транспорте не идут ни в какое сравнение с применением в авиационной и ракетной технике. В начале 1928 года фирма Opel испытала свой гоночный автомобиль с твердотопливным ракетным двигателем, через год аналогичные твердотопливные ускорители пристроили к мотоциклу. Впрочем, несколькими рекордными заездами эта история и закончилась. Ракету с автомобилем скрестить не удалось. Даже более поздние попытки использовать уже не ракетный, а реактивный двигатель предпринимались только для установления рекордов скорости на гладкой поверхности высохших соляных озер. Хотя, совсем недавно, группа энтузиастов приделала турбореактивный двигатель от вертолета к… мотоциклу. «Садиться на хвост» этому чудищу не сто́ит: с этой стороны он напоминает работающий огнемет.
На волне глобального увлечения мирным атомом, в 1958 году, компания Ford представила концепт-кар Ford Nucleon. На него хотели установить компактный ядерный реактор для получения пара высокого давления, который должен был питать турбины электрогенератора и привода колес. Он так и остался концептом – отсутствие компактных реакторов и легкой, но надежной биологической защиты загнало этот Нуклеон в тупик.
Тем не менее, уже в 1962 году той же компанией был предложен во многом обогнавший свое время проект Seattle-ite XXI. В качестве силовой установки предполагалось использовать топливные элементы, либо все же компактное ядерное устройство. Топливные элементы только-только подходят к фазе реального массового применения, а подходящего атомного источника энергии так и не придумали. Да и две передние ведущие и управляемые оси на легковых автомобилях до сих пор не используются. Все, теперь точно конец пути – атомомобилей в обозримом будущем не предвидится.
Маховики
Маховик в качестве накопителя энергии известен человечеству с незапамятных времен – это гончарный круг и детский волчок. Лишь через тысячи лет после их появления, в середине XX века, развитие технологий позволило инженерам испробовать маховик в качестве эффективного аккумулятора энергии для транспортных средств. Гиробусы некоторое время эксплуатировали в Швейцарии, Бельгии и, как ни странно, в Конго. Их рассматривали как альтернативу троллейбусам и аккумуляторным автобусам, но эксперимент успехом не увенчался. Все проекты были вскоре закрыты.
Еще раз маховики планировали приспособить для рекуперации тормозной энергии общественного транспорта в самом конце прошлого века, но продолжения эти работы не получили. Использовать супермаховик из углеродного нановолокна заманчиво, но слишком дорого и небезопасно. Теоретически он может накапливать более 50 кВт-ч/кг, но в случае разрыва (а линейную скорость обода можно сравнить со скоростью астероида) вращающегося в вакууме устройства этот килограмм рванет, как сорок килограммов тротила.
На транспорте супермаховики так и не прижились – появление мотор-колес, мотор-генераторов и долговечных аккумуляторных батарей большой емкости похоронило эту идею. А вот в электроэнергетике они очень перспективны. На исходе прошлого века американцы разработали, а в начале нынешнего начали производство супермаховиков для регулирования мощности (до 20 МВт) и частоты в промышленных электросетях.
Моноциклы и интроциклы
Одноколесный транспорт – моноциклы – появились практически одновременно с велосипедами. Считалось, что колесо большого диаметра легко преодолеет любые препятствия (собственно, и у первых велосипедов переднее колесо отличалось изрядным размером) – большинство дорог в те времена были грунтовыми. Но удерживать равновесие на такой конструкции непросто, а падать с нее больно, поэтому современные моноциклы с небольшими колесами можно увидеть разве что в цирке.
Иное дело – интроцикл, то есть огромное колесо, внутри которого сидит водитель. В первых проектах интроциклисту приходилось крутить педали, но очень скоро эти средства передвижения стали оснащать двигателями. Отдельные конструкции показали впечатляющую скорость (более 150 км/час), но, невзирая на все ухищрения конструкторов, в серию они так и не пошли, оставаясь техническими курьезами и средством развлечения для любителей экстремальной езды.
Авторы фото: George H. Van Norman, Werner von Siemens (contributed by Adrian Moore), Gus Edwards and Vincent Bryan, Roby, Rajesh Dhawan, AndrewDressel.
4986
