100 великих изобретений
Шрифт:
Первый «мерседес» имел уже все черты современного автомобиля: раму из прессованных стальных профилей, сотовый бронзовый радиатор, настоящую коробку передач и четырехцилиндровый двигатель мощностью 35 л.с., позволявший развивать скорость в 70 км/ч. Эта красивая, элегантная и надежная машина имела невероятный успех. Она выиграла множество гонок и породила массу подражаний. Можно сказать, что с появлением первого «мерседеса» закончилось детство автомобиля и началось стремительное развитие автомобильной промышленности.
68. ТЕПЛОХОД
В начале XX века произошли значительные перемены в кораблестроении — на смену пароходам, широко использовавшимся в течение ста лет на всех водных транспортных путях, приходят более совершенные суда с дизельным приводом.
Начало этому важному перевороту было положено в России — именно здесь был создан первый реверсный судовой дизель и были построены первые в мире теплоходы и подводные лодки. Инициатором всех этих разработок выступила одна из крупнейших российских фирм «Товарищество братьев Нобель». Нобели одними из первых оценили важное значение изобретения Рудольфа Дизеля. Едва появились сообщения о его двигателе, Эммануил Нобель завязал переговоры о покупке лицензии. Главное, что подкупало Нобеля в новом двигателе, — это то, что он мог работать на тяжелом топливе. В 1898 году, заплатив огромные по тем временам деньги (около 500 тысяч рублей), Нобель получил чертежи 20-сильного дизеля. После их тщательного изучения на Петербургском заводе фирмы многие детали двигателя были изменены как по конструктивным соображениям, так и, главным образом, потому, что первый двигатель решено было заставить работать на нефти, а не на керосине. Трудности использования нефтяного топлива тогда еще нигде в мире не были преодолены.
Первый в мире работающий на нефти двигатель Дизеля был пущен в ход в 1899 году. Он развивал 25 л.с. и затрачивал в час около четверти килограмма нефти на 1 л.с. Это был важный успех, но заветной мечтой Нобеля было применение дизеля в качестве судовой машины. В то время среди многих инженеров еще было распространено скептическое отношение к дизелям. Большинство считало, что эти двигатели не годятся в качестве привода для движения судов. Причины для этого были достаточно вескими. Во-первых, дизели не имели заднего хода (реверса) и, установленные на корабле, могли вращать винт только в одну сторону. Во-вторых, первые дизели было невозможно запустить при некоторых крайних положениях поршня. В третьих, работа дизелей с трудом поддавалась регулировке — было трудно поменять режим их работы, например, уменьшить или увеличить частоту вращения вала, увеличивая или уменьшая тем самым скорость движения судна. Эти недостатки, не имевшие большого значения при стационарной установке и небольших размерах дизеля, работавшего под постоянной нагрузкой, были весьма существенным изъяном для транспортного двигателя. Широко применявшаяся тогда паровая машина имела в этом смысле перед дизелем преимущество — реверс, изменение частоты вращения вала и пуск из любого положения достигались на ней без всякого труда. В таком случае, казалось бы, стоило ли вообще связываться с дизелем? Оказывается, стоило — в этом убеждали Нобеля элементарные расчеты.
Огромное достоинство дизеля заключается в его высоком КПД и, следовательно, в его экономичности. Поскольку дизели требовали в четыре раза меньше топлива по сравнению с паровыми машинами той же мощности, легко было представить себе, какие огромные перспективы открывало перед судоходством такое сокращение в весовом отношении расходов топлива, как в коммерческом, так и особенно в военном флоте. Сравнивая обычное паровое судно с тепловым, предназначенным для одинакового по дальности плавания, легко было рассчитать, что второе из них, снабженное дизелем, сможет взять вчетверо меньший по весу запас топлива, увеличив за этот счет свою грузоподъемность. Наоборот, если будет взято обоими одинаковое количество топлива, то, очевидно, теплоход сможет пройти в четыре раза большее расстояние, нежели пароход. Конечно, для малой дальности плавания разница между обоими типами судов была не так уж велика, но при повышении дальности плавания разница между теплоходом и пароходом увеличивалась исключительно. При рейсе в 10 тысяч миль с грузоподъемностью в 1000 т пароход фактически мог перевести в два раза больше груза, чем такой же пароход. Для условий русского судоходства это имело колоссальное значение, так как возникала возможность, не прибегая к погрузкам дополнительного топлива в пути, пройти с собственным запасом большее расстояние. Были и другие немаловажные преимущества. Например, загрузка теплохода нефтью осуществлялась наливом, в то время как уголь приходилось грузить вручную. Правда, невыгодность парохода компенсировалась дешевизной угольного топлива, но для Нобеля, одного из крупнейших нефтяных магнатов того времени, эта сторона не имела существенного значения.
Невзирая на все сложности, Нобель велел своим инженерам приступить к проектированию первого теплохода. Для того чтобы новое судно могло маневрировать, он распорядился связать дизель с гребным валом не непосредственно, а через передачу, позволявшую изменять как направление вращения винта, так и число его оборотов. В 1903 году на наливной барже «Вандал», изготовленной на Сормовском заводе и привезенной в Петербург, были установлены три дизеля по 120 л.с. В паре с этими дизелями работали три электрогенератора, вырабатывавшие ток для трех электродвигателей, вращавших гребные винты. За счет переключения обмоток на «Вандале» можно было менять режим и направление вращения. Испытания нового судна дали обнадеживающие результаты, но в целом такая система привода едва ли могла считаться удачной и таила в себе много неудобств — прежде всего она была дорогой и неэкономичной в смысле затрат энергии.
В том же году Нобель купил лицензию на двигательную установку Дель-Пропосто, позволявшую более экономично использовать дизель в качестве судовой машины. Принцип ее действия заключался в том, что на переднем ходу дизель непосредственно связывался с гребным винтом, а электрическая передача применялась лишь для заднего хода и маневрирования. Это значительно снижало потери энергии, ведь большую часть времени винты получали вращение непосредственно от дизеля, а для маневрирования и заднего хода не требовалось полной мощности. В 1904 году по этой системе было оборудовано нефтеналивное судно «Сармат». Оно было снабжено двумя дизелями по 180 л.с. и двумя электрогенераторами. Каждый дизель соединялся с электрогенератором, а потом через муфту с гребным винтом, на котором располагался электромотор. При переднем ходе дизель работал прямо на винт, а генератор и электродвигатель вращались, не давая и не получая тока, как маховики. При заднем ходе двигатель начинал работать на электрогенератор, который посылал ток на электромотор и давал гребному винту обратное вращение.
Результаты первых же рейсов «Сармата» показали все преимущества дизельных установок на судах. Расходы нефти против однотипных пароходов (которые работали на нефти, а не на угле) оказались в пять раз меньшими. В то же время маневрирование и управление нисколько не ухудшились. О технических испытаниях теплохода печатались отчеты, и не только в России — «Сармат» сделался знаменитостью. Однако отсутствие реверса все еще мешало широкому распространению теплоходов. Только в 1908 году многолетние поиски увенчались созданием реверсного двигателя. Как уже отмечалось, в реверсном двигателе необходимо было иметь, во-первых, механизм, переключающий органы распределения переднего и заднего хода, вводящий в действие одни и одновременно выключающий другие, и, во-вторых, устройство для пуска в ход двигателя при любом положении коленчатого вала. Из этих двух элементов реверса первый, то есть механизм для перестановки распределения, был создан довольно легко: на распределительном валу разместили две системы кулачков (смотри выше описание устройства дизеля) — одну для переднего, а другую для заднего хода. Передвижением всей системы в одну сторону двигатель получал распределение для переднего хода, передвижением в обратную — для заднего. Реверсировка двигателя (переход от «полного вперед» до «полного назад») занимала 10-12 секунд. Устройство для пуска в ход, наоборот, составляло главную и более трудную задачу, но и она была очень удачно разрешена русскими инженерами на заводе Нобеля. Правда, эти дизельные машины были изготовлены не для теплохода, а для подводной лодки «Минога», спущенной в 1908 году, которая, таким образом, стала первой в мире дизельной подводной лодкой.
Дизели на «Миноге» были трехцилиндровые. Задача выхода из мертвого хода была разрешена следующим образом: переход от работы системы воздухом на работу нефтью происходил не сразу, а постепенно — сначала все цилиндры работали воздухом, затем один переключался на нефть, после того как он давал рабочий ход, на нефть переводился второй цилиндр и так далее. Разновременность и последовательность вспышек в цилиндре выводили коленчатый вал из любого положения. Одновременно путем уменьшения и увеличения подачи нефти было достигнуто регулирование числа оборотов. Таким образом, были разрешены все проблемы по созданию судовой дизельной машины. Второй реверсный двигатель установили на подводной лодке «Акула», а потом Нобель стал оснащать ими свои нефтеналивные суда.
После успешных испытаний в России дизель-моторы в качестве судовых машин стали внедрятся по всему миру. Сначала дизели ставили только на небольшие суда, но во втором десятилетии XX века наступил перелом и в морском судостроении. В 1911 и 1912 годах на верфях Германии и Англии приступили к постройке нескольких крупных теплоходов. В 1912 году со стапелей в Дании сошел первый товарно-пассажирский теплоход «Зеландия», водоизмещением 3200 т и грузоподъемностью 7400 т. За его первым плаванием из Копенгагена в Лондон следил весь мир. Вскоре было подсчитано, что эксплуатация «Зеландии» дает 160 тысяч марок экономии в год по сравнению с пароходами того же класса. Это решило судьбу нового вида транспорта.
69. АККУМУЛЯТОР
Открытие аккумулирующего эффекта относится к числу важнейших и значительнейших изобретений в области электротехники. Очень часто возникала и возникает необходимость питать электричеством приборы или механизмы в таком месте, где нет источников энергии. Долгое время для этих целей использовали гальваническую батарею, но она была слабым, дорогим и чрезмерно громоздким источником тока. Создание электрического аккумулятора значительно упростило эту задачу.
Еще в 1802 году Риттер открыл, что две медные пластины, опущенные в кислоту и соединенные с гальванической батареей, заряжаются и их потом можно в течение короткого времени использовать как постоянный источник тока. Это явление позже изучалось многими другими учеными. В 1854 году немецкий военный врач Вильгельм Зинстеден наблюдал следующий эффект: при пропускании тока через свинцовые электроды, погруженные в разведенную серную кислоту, положительный электрод покрывался двуокисью свинца PbO2, в то время как отрицательный электрод не подвергался никаким изменениям. Если такой элемент замыкали потом накоротко, прекратив пропускание через него тока от постоянного источника, то в нем появлялся постоянный ток, который обнаруживался до тех пор, пока вся двуокись свинца не растворялась в кислоте. Таким образом, Зинстеден вплотную приблизился к созданию аккумулятора, однако он не сделал никаких практических выводов из своего наблюдения.