Естествознание. Базовый уровень. 11 класс - Сергей Титов

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.

Рис. 223. Стратостат

В течение XIX в. аэростаты совершенствовались, появились стратостаты (рис. 223) – разновидность аэростатов, способных достигать очень больших высот (более 30 км).

Стратостаты обычно наполняли гелием, так как водород, хотя и дешевле, в смеси с воздухом взрывоопасен.

Основным недостатком аэростата была его плохая управляемость, достаточно было сильного ветра, чтобы аэростат оказался совсем не там, где хотел очутиться экипаж (вспомните «Таинственный остров» Жюля Верна). В конце XIX в. началось активное создание дирижаблей, которые отличались от обычных аэростатов наличием винта (пропеллера) (рис. 224).

Вскоре аэростаты и дирижабли перестали удовлетворять запросам человечества из-за слишком больших размеров, неудобства в управлении и при посадке. Люди мечтали о компактном, маневренном и хорошо управляемом аппарате. Однако многие достаточно авторитетные учёные доказывали, что создание таких аппаратов невозможно по очень простой причине – их плотность больше, чем плотность воздуха, а в этом случае никакой полёт невозможен.

Одним из первых конструкторов, попытавшихся создать летательный аппарат, который был тяжелее воздуха, стал российский адмирал Александр Фёдорович Можайский (1825–1890). Он часто и внимательно наблюдал за полётом птиц и игрушечных воздушных змеев и сделал вывод, что высокая плотность аппарата не исключает возможности его полёта.

Рис. 224. Дирижабль

Рис. 225. Самолёт братьев Райт

Можайский сконструировал в 1882–1885 гг. первый самолёт с паровым двигателем, который, однако, не смог взлететь.

Первым самолётом, который смог самостоятельно оторваться от земли и совершить управляемый полёт, стал «Флайер», сконструированный в США братьями Орвиллом и Уилбером Райт (рис. 225). 17 декабря 1903 г. их самолёт продержался в воздухе почти полторы минуты и пролетел 200 м, после чего официально был признан первым в мире аппаратом тяжелее воздуха, который совершил пилотируемый полёт с использованием двигателя.