Проблема получения новых видов энергии решалась значительно медленнее. Вплоть до конца XIX в. почти единственным источником энергии для передвижения по суше являлась энергия, запасённая в мышцах человека и животных. При водных путешествиях также часто использовали мышечную энергию, приводившую в движение вёсла, а также энергию ветра (кинетическую энергию молекул воздуха). Первые паруса появились в Египте или Месопотамии около 5–6 тыс. лет назад. С их помощью можно было передвигаться против течения рек без использования вёсел, а также совершать морские путешествия.
Рис. 217. Римские дороги
Моряки тех времён достигли такого совершенства в управлении парусами, что могли заставить корабль двигаться даже против ветра. Но в безветренную погоду паруса были бесполезны, да и скорость, которую можно было развивать с их помощью, со временем показалась недостаточной.
Переворот произошёл в конце XVIII в., когда Джеймс Уатт начал производить паровые двигатели. Вначале их применяли только в промышленности для работы стационарных механизмов, но вскоре возникла идея использовать их для передвижения. Первый в истории пароход был изобретён в 1880-х гг. американцем Джоном Фитчем. Он установил на пароходе паровой двигатель, который приводил в движение вёсла, так что его пароход двигался наподобие галеры. Пароход Фитча так и не был доведён до практического использования, а создателем первого действующего парохода оказался его соотечественник Роберт Фултон (1765–1815). Поначалу работу Фултона сопровождали многочисленные неудачи и общественное недоверие, им пренебрегли Наполеон и британское правительство. В результате Фултон вернулся в Америку, и в 1807 г. построенный им пароход «Клермонт» отправился в свой первый рейс по реке Гудзон (рис. 218). На путь от Нью-Йорка до Олбани протяжённостью 150 миль против течения и при встречном ветре «Клермонт» затратил 32 часа. После введения некоторых улучшений в конструкцию парохода Фултон наладил постоянные пассажирские рейсы на этом речном маршруте.
Приблизительно в то же время возникла идея использовать паровой двигатель для передвижения по суше. Было понятно, что громоздкая машина, движущаяся с довольно большой скоростью, не сможет ехать по обычной дороге, ей необходим рельсовый путь. Такие пути к началу XIX в. уже существовали и работали на конной тяге. Дело было за изобретением паровоза. Попытки его создания неоднократно предпринимались многими инженерами, но самым удачливым оказался англичанин Георг Стефенсон (1781–1848), который в 1812–1829 гг. не только предложил несколько удачных моделей паровозов, но и убедил владельцев шахт построить первую железную дорогу, способную выдержать такой тяжёлый агрегат, как паровоз.
Рис. 218. Колёсный пароход
Вскоре паровоз Стефенсона стал главным локомотивом первой общественной железной дороги, соединившей Манчестер с Ливерпулем.
Первый паровоз в России был построен отцом и сыном Черепановыми в 1833–1834 гг. Он возил поезда с рудой на Нижнетагильском заводе и назывался пароходкой, но дальнейшего распространения не получил. Серийное производство паровозов в России было налажено только в 1870-х гг. Их активно использовали до середины 50-х гг. XX в., после чего производство прекратилось, так как паровозы были вытеснены тепловозами и электровозами (рис. 219).
Паровой двигатель при всех его достоинствах имел серьёзный недостаток – он был слишком массивен. Кроме того, для его работы требовался огромный запас угля, что делало невозможным использование такого двигателя на лёгких и маневренных транспортных средствах. Попытки поставить паровой двигатель на повозку, предпринимавшиеся, в частности, одним из его изобретателей, русским механиком И. И. Ползуновым, успеха не имели – слишком громоздкой получилась конструкция. Для передвижения человека по поверхности земли требовался новый тип двигателя. Он вскоре был изобретён и получил название двигателя внутреннего сгорания.
Первый такой двигатель был сконструирован в 1860 г. Э. Денуаром. В 1876 г. немецкий изобретатель Николаус Отто (1832–1891) построил более совершенный четырёхтактный двигатель, а в 1880-е гг. Огнеслав Степанович Костович (1851–1910) в России сконструировал первый карбюраторный двигатель, который в качестве топлива мог использовать бензин.
Рис. 219. Памятник паровозу в г. Магнитогорске (паровоз «ЗУб84-58» построен на Коломенском заводе в 1929 г.)
Получился новый тип двигателя с большей компактностью и коэффициентом полезного действия.
После изобретения Н. Отто над усовершенствованием двигателей внутреннего сгорания работали многие инженеры. Одним из них был немецкий механик Карл Бенц (1844–1929). Усовершенствовав бензиновый двигатель, он в 1885 г. построил первый автомобиль, представлявший собой двухместный экипаж на трёх высоких колёсах со спицами, на который был поставлен изобретённый Бенцем четырёхтактный бензиновый мотор объёмом 0,9 л. Автомобиль развивал максимальную скорость 16 км/ч и вызывал у соседей не столько восхищение, сколько ужас, пугая страшным рёвом людей и лошадей. Бенц принялся за совершенствование своего автомобиля, но через несколько лет автомобиль угнали. Угонщиками оказались жена и два сына изобретателя, которые умудрились проехать 180 км с приличной скоростью по неровной, но оживлённой дороге. Жители окрестных селений толпами сбегались к дороге, чтобы посмотреть на эту чудесную «безлошадную повозку». Об «автопробеге» узнала вся Германия, автомобиль стал широко обсуждаться в прессе, и реклама сделала своё дело: Бенц был признан изобретателем первого автомобиля, хотя в то время у него было немало конкурентов.
Нельзя сказать, однако, что паровые автомобили легко сдались бензиновым (рис. 220). Они тоже продолжали совершенствоваться и привлекать покупателей. В 1900 г. примерно половина автомобилей США были на паровом ходу.
Рис. 220. Первые автомобили
И только в середине 1930-х гг. они не выдержали конкуренции и сошли со сцены, дав возможность совершенствоваться автомобилям, работающим на бензиновом и дизельном топливе (рис. 221).
Двигатель внутреннего сгорания продолжал своё триумфальное шествие и наконец позволил осуществить вековую мечту человечества – подняться в небо.
1. Какие способы передвижения использовали в древности?
2. Кто был создателем первого паровоза? Сравните паровозы, тепловозы и электровозы. В чём их сходство и в чём принципиальные различия?
3. Какое изобретение было сделано Н. Отто? Какое значение оно имело для развития промышленности и автомобилестроения?
4. При каких способах передвижения в настоящее время используется только энергия мышц?
Рис. 221.Современные автомобили
1. Используя знания, полученные ранее на уроках физики, объясните принцип действия двигателя внутреннего сгорания.
2. Во многих городах нашей страны существуют памятники паровозам и автомобилям. Узнайте, есть ли такие памятники в вашем городе, районе или области. Какова история этих памятников?
3. Узнайте, когда в вашем городе, районе, области была построена железная дорога, проложены автомобильные трассы. Существуют ли в вашем регионе автомобилестроительные заводы, заводы, производящие железнодорожную технику, судостроительные верфи? Подготовьте выставку, посвящённую истории развития транспорта в вашем регионе. В качестве экспонатов могут выступать написанные вами сообщения и взятые интервью, выдержки из старых газет и журналов, чертежи, макеты, модели, фотографии и т. д. Соберите отзывы о выставке и сделайте выводы (групповой проект).
§ 69 Человек уходит в небо
Человек полетит, опираясь не на силу своих мускулов, а на силу своего разума.
Одним из самых заветных желаний человека с глубокой древности было желание летать. Ещё не было ничего из только что описанного – ни пароходов, ни паровозов, ни тем более автомобилей, а человека уже тянуло в небо. Мифы и легенды переполнены рассказами о человеческих существах, которые либо от природы, либо благодаря своему таланту освоили воздушное пространство. Сохранились предания о смельчаках, которые приделывали себе самодельные крылья и бросались со скал, колоколен и башен в надежде полететь. Однако реально мечты о полёте начали сбываться в XVIII в., когда был изобретён аэростат (воздушный шар). Официально первое испытание воздушного шара состоялось в 1782 г., когда братья Жозеф и Этьен Монгольфье впервые продемонстрировали своё изобретение родным и знакомым. Их «аэростатическая машина» диаметром 3,5 м продержалась в воздухе около 10 минут, поднявшись при этом на высоту почти 300 м. Через год они повторили полёт своего изобретения уже на базарной площади своего городка в присутствии большого числа зрителей и подтвердили его протоколом, скреплённым подписями должностных лиц. Так началась эпоха воздухоплавания.
Воздушный шар взлетает из-за того, что он легче воздуха (выполняется закон Архимеда, только не для жидкостей, а для газов). Его плотная оболочка наполняется газом, плотность которого меньше, чем плотность воздуха. У братьев Монгольфье это был дым. Когда братья продемонстрировали своё изобретение в Париже, Академия наук поручила физику Жаку Шарлю сконструировать собственный летательный аппарат. Шарль решил, что дым для этого неудобен, и надул свой аэростат водородом, который, как известно, тоже легче воздуха. Монгольфье не сдались и продолжали усовершенствовать свой шар, сжигая в нём резаную солому.
Рис. 222. Шар Монгольфье
Аппарат братьев назвали «монгольфьером» (рис. 222), а аппарат Шарля – «шарльером». В итоге победила дружба, и первый человек (вернее, первые два человека) поднялся на «монгольфьере» 21 ноября 1783 г., а первые два человека на «шар– льере» ровно через неделю.