Беседы о физике и технике

Глухов Н.Д., Камышанченко Н.В., Самойленко П.И.

«Беседы о физике и технике»

Вместо предисловия

Еще совсем недавно выражения «научно-технический прогресс», «научно-техническая революция» звучали настолько часто, что к ним стали привыкать и они уже мало кого волновали. Считалось само собой разумеющимся, что прогресс — это нечто естественное и обязательное, как течение времени: когда нужно, изобретут что нужно, а если этого окажется мало, то сделают парочку открытий и произойдет научно-техническая революция. А всем нам желательно иногда интересоваться, чего достиг на сегодня прогресс, и по возможности эти достижения применять. Если же не применил — особой беды нет: мерной поступи прогресса не остановить.

Действительность жестоко наказала нас за такую расслабленность.

Идеи не возникают из ничего. Они приходят в головы тех людей, которые жаждут открытий, которые накопили достаточно знаний, которые умеют ставить перед собой высокие цели, не боятся долго и терпеливо двигаться к их достижению.

Идея появится и умрет, если не найдет для себя благодатной почвы. Эта почва — все мы. Для того чтобы идея не угасла, как луч света в темном царстве, мы все должны быть готовы к ее восприятию.

Любознательность — верный посыл для начала пути, желание завтра оказаться на более высокой ступеньке, чем сегодня, — надежный компас в дороге.

Конечно, каждый должен пойти такой путь самостоятельно — дорогу осилит идущий. Но кто сказал, что двигаться нужно в одиночку?

Эта книга — ваш спутник на каком-то этапе пути.

Здесь рассказано об истории некоторых открытий в области физики, об интересных поисках современных ученых, о том, что суть многих современных технических разработок не столь уж сложна, чтобы мы не могли ее понять, о том, что научно-технический прогресс действительно ускорится, если каждый из нас внесет в него посильную лепту.

Что украшает любой путь? — Беседа. Так давайте побеседуем о физике и технике.

Авторы

1. От паровой машины до ракетного двигателя

Много веков прошло от начала сознательного использования человеком энергии рек, энергии ветра в водяных и ветряных мельницах до освоения и создания машин, использующих тепловую и электрическую энергию. Паровые котлы, паровые и водяные турбины, паровые машины, двигатели внутреннего сгорания созданы главным образом в последние два столетия, а реактивные двигатели — в последнее столетие. Все эти двигатели нашли широкое применение в промышленности, сельском хозяйстве и на транспорте.

Развитие всех отраслей хозяйства стало возможным лишь при появлении машин, увеличивающих во много раз выпуск продукции по сравнению с ручным трудом.

Преимущество простейшей машины перед физическим трудом человека очевидно. Действительно, представим себе, что необходимо поднять груз массой в 1 кг на высоту 1 м за 1 с. Эту работу легко может выполнить любой человек. Для этого необходима мощность всего в 1 Вт.

А сколько же человек необходимо собрать вместе возможно), чтобы они работали непрерывно по 8 ч вместо паровой или водяной турбины мощностью 100 МВт? Оказывается, около 3,6 млн. человек! Применение экскаваторов, бульдозеров, транспортеров, подъемных кранов и других механизмов на строительных работах заменило миллионы землекопов и других подсобных рабочих.

КОГДА ПОЯВИЛАСЬ ПЕРВАЯ ПАРОВАЯ МАШИНА?

Первая паровая турбина была сконструирована Героном Александрийским, жившим во II в. до н. э. Шар Герона («эолипил» Герона) представляет собой полый железный шар (рис. 1), способный вращаться вокруг горизонтальной оси. Из закрытого котла с кипящей водой пар по двум осевым трубкам поступает в шар. Из шара он вырывается через изогнутые трубки наружу. При этом шар вращается.

Изобретение Герона в то время, естественно, не нашло себе технического применения и осталось забавной игрушкой.

Рис. 1. Геронов шар — прообраз реактивной паровой турбины:

_{1 — подвод пара от котла, 2 — паровой котел, 3 — сопло, 4 — пароприемник}

КАК И КОГДА ПАРОВЫЕ ТУРБИНЫ ПЕРЕСТАЛИ БЫТЬ ИГРУШКАМИ?

КАКИМ ПУТЕМ ШЛО РАЗВИТИЕ ПАРОВЫХ ДВИГАТЕЛЕЙ?

Первый в мире паровой двигатель для привода заводских механизмов был осуществлен в 1765 г. в России выдающимся ученым и инженером-самоучкой Иваном Ивановичем Ползуновым, и лишь двадцать лет спустя в 1784 г. Д. Уаттом был построен и запатентован в Англии первый в Западной Европе универсальный паровой двигатель.

В 1829 г. в Англии Дж. Стефенсоном был построен первый промышленный паровоз мощностью 8,8 кВт (12 л. с), его скорость составляла 22 км/ч.

В 1834 г. отец и сын Е. А. и М.Е.Черепановы построили паровоз своей конструкции (рис. 2). Паровоз перевозил по чугунным рельсам состав вагонеток с грузом до 3,5 т при скорости 15 км/ч.

Рис. 2. Модель первого русского паровоза Черепановых (1834)

Постепенное усовершенствование паровозов привело к существенному повышению их мощности и экономичности. Так, мощность последних советских паровозов (рис. 3) была порядка 3 МВт (4000 л. с), но, хотя скорость паровозов уже достигла порядка 130–150 км/ч, их КПД все же не удалось поднять выше 10 %.

Паровозы буквально выбрасывали в трубу 90–92 % энергии сжигаемого топлива, не только «пожирали» первосортный каменный уголь (210 кг условного топлива на 10 тыс. тонно-километров), но и сильно загрязняли земную атмосферу.

В середине XX В. В результате быстрого развития более экономичных локомотивов — тепловозов и электровозов — производство паровозов стало сокращаться и в нашей стране было полностью прекращено в 1957 г.

Рис. 3. Последний советский паровоз ФД (1957)

ПОЧЕМУ ТАК НЕВЕЛИК КОЭФФИЦИЕНТ ПОЛЕЗНОГО ДЕЙСТВИЯ ТЕПЛОВЫХ МАШИН?

Для работы тепловых машин необходимо существование нагревателя и холодильника, при этом из законов термодинамики следует, что КПД = (Q₁ — Q₂)/Q₁. Здесь Q₁ — затраченная теплота, Q₂ — теплота, использованная для совершения полезной работы. Для максимального коэффициента полезного действия идеальной тепловой машины КПД = (Т₁ — Т₂)/Т₁ где Т₁ и Т₂ — температуры нагревателя и холодильника соответственно.

Из последнего соотношения следует, что увеличения КПД можно достичь увеличением разности температур нагревателя и холодильника.

Другой путь увеличения КПД тепловых двигателей связан с устранением конструктивных недостатков, свойственных каждому типу машин (применение теплоизоляции котлов и цилиндров, многократного расширения, использование перегретого пара, повышение давления пара при впуске и понижение при выпуске, уменьшение потерь на трение и т. д.).

КОНЕЧНО ЖЕ, УЧЕНЫЕ И ИНЖЕНЕРЫ ПОПЫТАЛИСЬ СОЗДАТЬ БОЛЕЕ СОВЕРШЕННЫЙ ДВИГАТЕЛЬ?

Первый путь увеличения КПД парового двигателя — увеличение разности температур котла и холодильника — привел конструкторскую мысль к идее применения двигателей другого типа — двигателей внутреннего сгорания.

Наиболее распространенными двигателями внутреннего сгорания являются поршневые двигатели: карбюраторные и дизели. О том, как работают двигатели внутреннего сгорания, мы поговорим чуть позже. Сейчас же, забегая вперед, скажем об их экономичности.