Solar Impulse швейцарского производства использует исключительно энергию солнца. На модели Solar Impulse 2 солнечные батареи покрывают весь верх фюзеляжа и крыльев, размах которых равен 72 м. Они обеспечивают питание четырех электродвигателей, что позволяет развивать скорость до 140 км/ч. В ночное время самолет летает медленнее, чтобы экономить энергию. В 2015 г. он совершил беспосадочный перелет из Японии на Гавайи — самый долгий полет на солнечных батареях.
Сфокусированный свет
Система концентрирующего типа (CSP) производит электроэнергию опосредованно. Эта идея восходит еще к Древней Греции, когда Архимед якобы разработал оружие с зеркалами, способное направлять концентрированный солнечный свет на вражеские корабли и сжигать их. Первая промышленная CSP-электростанция была спроектирована и построена в Италии профессором Джованни Франчиа в 1968 г. В подобной установке параболические зеркала концентрируют солнечные лучи в солнечной печи, чтобы обеспечить работу теплового двигателя. В печи нагревается вода и появляется пар, который приводит в движение турбины, благодаря чему вырабатывается электроэнергия. Крупнейшая CSP-электростанция в Айвонпа, США, имеет мощность 392 МВт. Однако больше всего электроэнергии с помощью CSP производит Испания.
Инженерное дело. Основы
Так что же нам дают изобретения и куда они нас приведут?
Давайте с различных точек зрения рассмотрим некоторые области инженерного дела: двигатели, транспорт, строительство и материалы.
Двигатели
Пар
Первый двигатель был паровым. Он был изобретен в конце XVII в. и постоянно улучшался на протяжении XVIII в. Томасом Ньюкоменом, Джеймсом Уаттом и другими великими инженерами. Это был двигатель внешнего сгорания — то есть в нем топливо сгорало за пределами движущихся частей устройства. Тепло, получаемое от сгорания топлива, используется для кипячения воды, благодаря этому образуется поток пара высокого давления, который давит на поршень, заставляя его двигаться. Возвратно-поступательное движение поршня передается механизму, часто оно преобразовывается во вращательное движение колес. На протяжении всего XIX в. и в начале XX в. паровые двигатели были главным источником энергии для локомотивов, тракторов, кранов и автобусов. Однако они были слишком велики и неповоротливы, чтобы их можно было использовать в небольших автомобилях.
Схема парового двигателя: поток пара из котла давит на поршень, двигая его. Затем пар конденсируется, возвращается в котел и процесс происходит заново
Двигатели внутреннего сгорания
Первые автомобили, мотоциклы и даже первые самолеты получали энергию от двигателя внутреннего сгорания (ДВС). Его первая рабочая модель была создана в 1860 г. Этьеном Ленуаром, к 1890-е гг. ДВС стали использовать на небольших личных автомобилях. Принцип действия отражен в названии: жидкое топливо сгорает внутри цилиндров двигателя. Оно смешивается с воздухом и поджигается, создавая быстро расширяющиеся газы. Эти газы давят на поршни, вызывая их движение, которое затем передается на колеса. В большинстве автомобилей используются двигатели, состоящие из четырех цилиндров и работающие в четырехтактном цикле (см. стр. 120).
Основное применение ДВС — автомобили, но их также используют в лодках, переносных электрогенераторах и мощных электроинструментах
Возвратно-поступательное движение поршня двигателя преобразуется во вращательное движение колес с помощью коленчатого вала (коленвала). Это зигзагообразная ось, которая позволяет одному поршню подниматься, пока другой опускается
Реактивный двигатель
Реактивный двигатель создает тягу за счет отталкивания от выхлопного газа, который с силой вырывается назад (в сторону, противоположную движению). Компрессор подает сжатый воздух в камеру сгорания, где тот смешивается с топливом, воспламеняется и расширяется. Расширенный газ заставляет вращаться турбину, которая приводит в действие компрессор, и направляется в сопло, образуя реактивную тягу.
В самых быстрых реактивных самолетах, например в истребителях, используются турбореактивные двигатели, а в пассажирских — менее мощные, но более экономичные турбовентиляторные двигатели
Ракетный двигатель
Ракетный двигатель относят к реактивным, но он, в отличие от остальных видов двигателей, не нуждается в снабжении воздухом. Он использует два вида топлива — горючее и окислитель, — которые горят при смешивании. Эта бурная химическая реакция создает тягу и может протекать в разных средах: в воздухе, воде или вакууме. Ракетные двигатели кажутся очень простыми, однако инженерам-ракетостроителям пришлось разработать корабль, способный выдержать огромную реактивную тягу и при этом оставаться управляемым во время движения во много раз быстрее звука.
Жидкостный ракетный двигатель относительно прост: две жидкости подаются в камеру сгорания. Там они соединяются, горят, создавая мощную газовую струю
Транспорт
Дороги
Изобретение колеса привело к другому нововведению — дорогам. Колесные транспортные средства способны перевозить больше, чем человек или животное, но использовать их можно только на ровной и относительно плоской поверхности. Персы и римляне создали обширные и разветвленные сети дорог. Самые важные пути были мощеными, однако большинство было всего лишь очищено от камней.
Автомобили предназначены для езды по плоским и гладким дорогам. Современные дороги — это результат различных изобретений, сделанных в течение многих веков
Современные дорожные покрытия основаны на работах британских инженеров: в 1800-х гг. Томас Телфорд и Джон Макадам использовали стандартные методы построения прочных фундаментов, положив сверху спрессованные мелкие камни. Этот процесс стал известен как «макадамизация». В 1901 г. Эдгар Хули запатентовал метод закрепления камней горячей смолой. Получившийся асфальт, охлаждаясь, становился плоской твердой поверхностью. Камни делали поверхность слегка шероховатой, что прекрасно подходит для сцепления с шинами. Сегодня большинство дорог, в том числе взлетно-посадочные полосы и скоростные трассы, покрыты асфальтом.
Вода
Плавание по воде было первым способом передвижения человека на большие расстояния. Простой плот, огромный танкер и даже авианосец не тонут благодаря одному и тому же физическому закону, который был открыт Архимедом еще в III в. до н. э. Согласно этому закону, вода действует на предмет с выталкивающей силой, равной весу воды, вытесненной этим предметом. Если поместить в воду камень, то он потонет, потому что вытесненная им вода весит меньше, чем сам камень. Судно любого размера будет плавать, если вес вытесняемой им воды превышает его собственный.
Судно плавает в воде за счет выталкивающей силы воды, действующей в направлении, противоположном силе тяжести. Пока средняя плотность судна меньше плотности воды, оно будет плавать. Даже огромные стальные корабли заполнены в основном воздухом и потому весят меньше, чем эквивалентный объем воды
Но нужно не только не утонуть. Судно должно двигаться, то есть пробиваться сквозь воду — с помощью весел, паруса или винта. Сопротивление воды всегда будет ограничивать скорость кораблей. Самые быстрые судна — катера, катамараны и судна на подводных крыльях — используют крыловидную конструкцию, которая приподнимает их над водой, уменьшая сопротивление.
Воздушный транспорт
У путешествия по воздуху есть много преимуществ. На пути самолета нет препятствий, которые ограничивают наземные передвижения, поэтому он может лететь на большой скорости прямо к месту назначения. Но чтобы подняться в воздух, нужна подъемная сила, которая противодействует силе тяжести, или весу самолета. Один из способов решения этой проблемы — создание аппаратов легче воздуха: воздушных шаров или дирижаблей. Однако у таких аппаратов есть существенный недостаток: во время подъема они с трудом двигаются вперед и ими нелегко управлять. Самолеты тяжелее воздуха, у них подъемная сила создается с помощью крыльев — поверхности специально изогнутой формы, которая рассекает воздух. При этом давление воздуха над крылом меньше, чем под ним, что создает силу, которая толкает крыло (и самолет) вверх. Чтобы создать подъемную силу больше веса самолета, он должен лететь с высокой скоростью. Это обеспечивает двигатель — винтовой или реактивный, — который создает тягу, проталкивающую самолет сквозь воздух.
Давление воздуха под крылом выше, чем над ним, поэтому крыло поднимается
На самолет действуют четыре силы, которые и определяют его полет
Железнодорожный транспорт
Езда по рельсам более эффективна, чем по дорогам. Поезда могут перевозить намного больше грузов и гораздо быстрее, чем автомобили. Вагоны и локомотивы катятся по рельсам на гладких металлических колесах. Чтобы обеспечить достаточное сцепление, поезд должен быть очень тяжелым, но при движении гладкие рельсы создают очень небольшое сопротивление, поэтому поезда могут перевозить сотни людей или очень крупные грузы гораздо эффективнее, чем другие виды наземного транспорта. Производительность поездов увеличивается еще больше при замене паровых локомотивов дизельными и электрическими. Однако у железнодорожного транспорта есть некоторые серьезные недостатки: создание разветвленной железнодорожной сети и необходимых поездов стоит дорого, к тому же поезда могут ходить только там, где для них проложены рельсы.
Сигналы на железной дороге
Сигналы на железных дорогах не такие, как на автомобильных. Например, может использоваться группа сигналов на разных светофорах. В такой системе зеленый сигнал будет показывать, что участок дороги впереди пуст. Красный — что на участке есть поезд и нужно остановить состав. Желтый — что впереди есть красный сигнал. На стрелочных переводах подвижные участки рельсов присоединены к главным рельсам так, что машинисты идущего поезда могут перевести стрелки самостоятельно.