100 великих изобретений: читать книгу онлайн полностью и бесплатно

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.

Только пять лет спустя, в 1859 году, французский инженер Гастон Планте случайно сделал то же самое открытие и построил первый в истории свинцовый аккумулятор. Этим было положено начало аккумуляторной техники.

Аккумулятор Планте состоял из двух одинаковых свинцовых пластин, навитых на деревянный цилиндр. Друг от друга они отделялись тканевой прокладкой. Устроенный таким образом прибор помещали в сосуд с подкисленной водой и соединяли с электрической батареей. Спустя несколько часов, отключив батарею, можно было снимать с аккумулятора достаточно сильный ток, который сохранял в течение некоторого времени свое постоянное значение.

Чем объясняются процессы, протекающие в аккумуляторе? Как и в гальваническом элементе, электрический ток здесь — следствие химической реакции, которая может протекать многократно в обе стороны. Представим себе, что мы начинаем зарядку разрядившегося аккумулятора, присоединив его к источнику постоянного тока. Обычно еще не заряженная масса положительной свинцовой пластинки содержит на себе остатки предыдущего цикла — окись свинца PbO и сернокислый свинец PbSO4, а отрицательная — только окись свинца PbO. Под действием электрического тока электролит — подкисленная вода — начинает разлагаться: на положительном электроде выделяется кислород, который тут же окисляет окись свинца и сернокислый свинец до перекиси PbO2 (причем кислотный остаток SO4 уходит в раствор), а на отрицательной пластине выделяется водород. Последний соединяется с кислородом окиси, образуя металлический свинец и воду. Затем газ начинает накапливаться в порах свинцовой пластины.

Если заряженный аккумулятор включить в цепь, то ток, проходивший через аккумулятор во время зарядки, меняет свое направление. Вследствие этого на той пластинке, где раньше выделялся кислород, начинает выделяться водород, который вступает в реакцию с кислородом перекиси свинца. На другой пластинке происходит выделение кислорода. Серная кислота из жидкости переходит на положительный электрод и опять образует сернокислый свинец, тогда как водород и свинец на отрицательной пластине окисляются, первый — в воду, второй — в окись свинца. В несколько упрощенном виде (без учета параллельных процессов) химическая реакция разрядки имеет вид:

PbO2 + Pb + 2H2SO4 = 2PbSO4 + 2H2O.

При зарядке явления идут в противоположную сторону. Эта реакция, сопровождаемая выделением электрического тока, продолжается до тех пор, пока количество окиси свинца на обеих пластинках не уравновешивается. Та же реакция идет в разомкнутом аккумуляторе, но намного медленнее. При заряжении (вследствие выделения кислотного остатка в раствор) удельный вес жидкости в аккумуляторе увеличивается, а при разряжении — уменьшается (поскольку при разряжении серная кислота соединяется с окисью свинца и образует на электродах сернокислый свинец). Во время разрядки энергия химических реакций превращается в электрическую, а во время зарядки — наоборот.

Существенным недостатком аккумулятора Планте была его небольшая емкость — он слишком быстро разряжался. Вскоре Планте заметил, что емкость можно увеличить специальной подготовкой поверхности свинцовых пластин, которые должны быть по возможности более пористыми. Чтобы добиться этого, Планте разряжал заряженный аккумулятор, а затем опять пропускал через него ток, но в противоположном направлении. Этот процесс формовки пластин повторялся многократно в течение приблизительно 500 часов и имел целью увеличить на обеих пластинках слой окиси свинца.

До тех пор, пока не была изобретена динамо-машина, аккумуляторы представляли для электротехников мало интереса, но когда появилась возможность легко и быстро заряжать их с помощью генератора, аккумуляторы получили широчайшее распространение. В 1882 году Камилл Фор значительно усовершенствовал технику изготовления аккумуляторных пластин. Если аккумулятор Планте начинал хорошо работать лишь после многократной зарядки и разрядки (пока пластины не делались пористыми), в аккумуляторе Фора формирование пластин происходило гораздо быстрее. Суть усовершенствования Фора заключалась в том, что он придумал покрывать каждую пластинку суриком или другим окислом свинца. При заряжении слой этого вещества на одной из пластин превращался в перекись, тогда как на другой пластинке вследствие реакции получалась низкая степень окисла. Во время этих процессов на обеих пластинах образовывался слой окислов с пористым строением, что способствовало скоплению выделяющихся газов на электродах. Чтобы масса окислов, образующаяся на пластинах, не отваливалась, их покрывали тканью. Аккумулятор Фора не только заряжался быстрее аккумулятора Планте, но имел также значительно большую емкость и мог давать очень сильный ток. Он состоял из параллельных свинцовых пластин, помещенных близко одна от другой и соединенных через одну, так что каждый электрод одного знака помещался между двумя электродами противоположного.

Изобретение Фора сразу обратило на себя внимание электротехников. Немецкий банкир Фолькмар, который взялся за производство аккумуляторов Фора, вскоре еще более усовершенствовал их. В прежних аккумуляторах слой окислов, как уже говорилось, плохо держался на решетке и при тряске легко отваливался. Это было серьезным изъяном конструкции, поскольку мешало применять аккумуляторы на транспорте. Чтобы поправить дело, Фолькмар предложил делать свинцовые пластинки не сплошными, а в виде решеток, отверстия которых набивали губчатым свинцом. На таких решетках активная масса уже не просто налипала к свинцу, а прочно держалась в ячейках.

В начале XX века усовершенствованием аккумулятора занялся Эдисон, который хотел сделать его более приспособленным для нужд транспорта. В связи с этой задачей требовалось облегчить вес аккумуляторов, увеличить их емкость, избавиться от ядовитого свинца и едкой серной кислоты, которая быстро разъедала свинцовые пластины, после чего их приходилось заменять.

Как обычно, Эдисон приступил к делу с большим размахом: он создал специальную лабораторию с большим штатом специалистов-химиков и поручил им исследования по всем перечисленным направлениям. По существу, речь шла о создании совершенно нового типа аккумулятора, в котором электролитом служила щелочь, а отрицательным электродом — измельченное железо с некоторыми примесями. Долгое время не удавалось выбрать материал для положительного электрода. Поскольку химические процессы в щелочном аккумуляторе были очень сложны и не до конца понятны, приходилось идти буквально ощупью. В экспериментальных моделях положительный электрод делали из угля, поры которого заполняли различными веществами: испробовали множество металлов и их соединений, но все они давали недостаточно хороший результат. Наконец, остановились на никеле, который оказался наиболее подходящим. Так Эдисон пришел к железно-никелевому аккумулятору с электролитом в виде едкого кали. (Химическая реакция, протекающая при разряде в щелочном аккумуляторе, в несколько упрощенном виде описывается уравнением:

2NiOOH + Fe + 2H2O = 2Ni(OH)2 + Fe(OH)2;

при зарядке процесс идет в обратном направлении; электролит KOH, хотя и создает необходимую среду, в реакции участия не принимает.)

Было изготовлено несколько таких аккумуляторов для всесторонних испытаний, и тут исследователей постигло разочарование — емкость аккумуляторов оказалась очень маленькой. Эдисон обратил внимание, что чистота материала имеет большое значение для увеличения емкости. Он заказал для проб высокосортный канадский никель, после чего емкость аккумуляторов сразу возросла в три раза. В Вест-Орендже была построена небольшая фабрика для рафинирования (очистки) железа и никеля. Емкость нового аккумулятора оказалась в 2, 5 раза больше, чем у старого свинцового. Эдисон утверждал, что это самый большой прогресс в аккумуляторной технике со времен ее зарождения.

Дальнейшие опыты оказались настолько успешными, что в 1903 году Эдисон решил приступить к промышленному производству своих аккумуляторов на специально построенном для этого заводе. Однако первые щелочные аккумуляторы, поступившие в продажу, оказались весьма далеки от совершенства: они плохо держали заданную величину напряжения, часто давали течь и имели много других мелких дефектов. От распространителей стали поступать многочисленные рекламации. Эдисону пришлось остановить завод и вновь заняться усовершенствованием своего изобретения. Несмотря на неудачи, он продолжал твердо верить в успех дела. Доводка была поручена сразу нескольким группам: одна работала над усовершенствованием сварки аккумуляторных сосудов, другая — над рафинированием железа, третья занималась никелем и присадками к нему. К 1905 году было проведено более 10 тысяч дополнительных опытов, а в 1910 году значительно усовершенствованный аккумулятор вновь поступил в производство. В первый же год было выпущено продукции на 1 миллион долларов, и вся она нашла хороший сбыт. Вскоре новый портативный аккумулятор получил широкое распространение в транспорте, на электростанциях, в небольших судах и на подводных лодках.

70. ТРАКТОР

Трактор — это универсальная машина, предназначенная перемещать и приводить в действие прицепляемые к ней разнообразные сельскохозяйственные механизмы. Из этого видно, что функции трактора двоякие: он, во-первых, работает как тягач, а во-вторых, как привод, что позволяет использовать его при выполнении самых разнообразных сельскохозяйственных работ. Выгоды трактора очевидны — скорость, экономия времени, производительность. Поэтому появление его составило революцию в сельском хозяйстве, быть может, самую важную со времен появления плуга. С этого времени механическая тяга стала постепенно вытеснять из сельскохозяйственного производства мускульную силу животных.

Первые тракторы были паровыми. Еще в 1850 году английский изобретатель Уильям Говард применял для пахоты паровой автомобиль (локомобиль). Изобретение получило распространение, и паровые плуги широко использовались во второй половине XIX века в некоторых европейских странах (особенно в Англии, где их насчитывалось более 2 тысяч). Первые тракторы с двигателями внутреннего сгорания, сконструированные инженерами Хартом и Парром, были собраны в США в 1901 году. Их появление было встречено с восторгом, и американские фермеры возлагали на них большие надежды. Но быстро наступило разочарование, так как тракторы из-за своего огромного веса больше разрушали почву, чем помогали обрабатывать ее. К тому же они были чрезмерно велики для средней фермы. В ходе их использования обнаружилось множество конструкционных недостатков. Тракторы часто ломались, ремонт их требовал массу времени и больших затрат.

Однако постепенно эти машины совершенствовались. В 1907 году на рынок поступили уже вполне работоспособные тракторы. Их вес, размеры и мощность уменьшились, зато повысилась надежность, что сделало применение трактора удобным в среднем по величине хозяйстве. Была создана сеть ремонтных мастерских, налажен выпуск запчастей, благодаря чему отрицательное отношение фермеров к этой машине было преодолено за несколько лет, и в Америке начался рост тракторной промышленности. В 1920 году в США было продано уже около 200 тысяч тракторов различных конструкций. В 1912 году фирма «Холт» впервые начала выпуск гусеничных тракторов.

Вскоре трактор взял на себя приблизительно 80-90% всех пахотных работ на ферме. Помимо этого тракторный двигатель использовался для приведения в действие различных сельскохозяйственных машин (для этого он снабжался специальным шкивом). К нему могли подключаться молотилки, косилки, мельницы, лесопилки, маслобойки, соломорезки и другие вспомогательные механизмы. Трактор также брал на себя около половины работ, связанных с уборкой урожая. В дальнейшем благодаря созданию различных прицепных машин сфера применения трактора расширилась в несколько раз.

71. АЭРОПЛАН

Идея авиации — одна из самых древних в истории человечества. В мифах, преданиях, исторических хрониках можно найти свидетельства о множестве предпринятых в разные века попытках человека осуществить свою давнюю мечту подняться в воздух и лететь подобно птице. Но все это были дилетантские предприятия, в которых видно больше энтузиазма, чем расчета, и потому они неизменно кончались неудачей. Только в последней четверти XIX века появились первые свидетельства того, что полет на аппаратах тяжелее воздуха может когда-нибудь стать реальностью. Почему же это искусство так долго оставалось для человека недостижимой мечтой? Дело в том, что в отличие от аэростата аэроплан не плывет по воздуху, а опирается на него при полете, подчиняясь сложным аэродинамическим законам.

Правильное объяснение феномена полета было дано уже в XVIII-XIX веках, но наука об искусстве летать — аэродинамика — возникла только в первые десятилетия XX века. Отчего птицы, хотя они и тяжелее воздуха, не падают на землю? Дело в том, что в воздухе на нижнюю поверхность их крыльев оказывает действие так называемая подъемная сила, которая превосходит силу тяжести, действующую в противоположном направлении. Откуда берется эта сила, объяснил еще в первой половине XVIII века известный математик и физик Бернулли. В 1738 году в своем капитальном труде «Гидродинамика» он вывел закон, носящий теперь его имя. Суть закона Бернулли (сформулированного им для жидкостей, но справедливого также для газов) заключается в том, что с увеличением скорости потока давление его на стенки сосуда уменьшается. Действие закона Бернулли очень легко наблюдать на опыте Возьмем, например, листок бумаги и будем дуть на него — дальний край листка немедленно поднимется вверх, словно что-то толкает его снизу. Это «что-то» и есть уже упомянутая подъемная сила. Она возникла вследствие того, что воздух над поверхностью листка движется много быстрее того, что находится под ним. Следовательно, давление на лист сверху оказывается заметно меньше того атмосферного давления, что давит на него снизу. Если подъемная сила больше силы тяжести, листок поднимается.

Однако ситуацию нашего опыта не так легко повторить в реальной обстановке. Чтобы приподнять край листка, мы намеренно обдували его так, как нам это было удобно. А как заставить подняться вверх какой-нибудь крылатый аппарат, который находится в реальном воздушном потоке? Очевидно, крыло этого аппарата должно быть не плоским, как лист, а иметь такую форму, чтобы скорость обтекания его сверху и снизу была неодинаковой — снизу медленнее, чем сверху. Тогда давление на поверхность крыла сверху будет меньше, чем снизу. Подъемную силу можно регулировать, изменяя угол атаки крыла (так называется угол между плоскостью крыла и потоком воздуха). Чем больше угол атаки — тем больше подъемная сила.