Страница:
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
71. АЭРОПЛАН
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.
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.
Но взлететь мало — надо уметь удержать аэроплан в воздухе. Ведь подъемная сила сохраняется лишь до тех пор, пока несущая поверхность крыла правильно ориентирована относительно воздушного потока. Нарушится ориентация — пропадет подъемная сила, и аэроплан рухнет на землю, словно провалится в яму. Устойчивость — эта главная проблема для любого летающего аппарата тяжелее воздуха. Если он не имеет механизма, обеспечивающего устойчивость, то превращается в игрушку коварного ветра. Опасности подстерегают такую машину на каждом шагу. Любой порыв ветра или неверный маневр пилота может привести к тому, что аэроплан завалится на бок или нос, перевернется и упадет.
К счастью, первые авиаторы имели хотя и смутное, но верное представление об ожидающих их опасностях и сумели до некоторой степени приготовиться к ним. Первый шаг в небо был сделан с помощью моделей. Прямыми предшественниками всех современных самолетов следует, видимо, считать игрушечные аэропланы Пено, которые он строил с 1871 года и запускал с помощью резиновых моторчиков. При весе в несколько граммов они летали по несколько десятков секунд. Эти модели, можно сказать, были первым зримым доказательством того, что аппараты тяжелее воздуха вообще способны летать. В 1872 году Пено пришел к чрезвычайно важному выводу, что для устойчивого полета аэроплана ему необходимо хвостовое оперение. Вскоре ему удалось придать своим аппаратам хорошую устойчивость относительно всех трех осей.
Впрочем, это было только начало. Прошло тридцать лет, прежде чем удалось создать самолет, способный поднять в небо человека. В конце XIX века в разных странах было сделано несколько попыток сооружения больших аэропланов с мощными двигателями. В 1894 году огромный самолет с размахом крыльев) 31, 5 м и весом около 3, 5 т попытался поднять в воздух известный изобретатель Хайрам Максим. Но при первой же попытке машина разбилась. Максим, потративший на свой опыт 20 тысяч фунтов стерлингов, более не возвращался к сооружению самолетов. Известный американский астроном Самюэль Лэнгли, получив от правительства США 50 тысяч долларов, в начале 1900-х годов построил несколько больших летательных аппаратов, которые неизменно разбивались при каждой попытке подняться в воздух. Во Франции подобными экспериментами и с тем же успехом занимался в конце 90-х годов инженер Клеман Адер. Истратив на его аппараты около 500 тысяч франков, французское правительства отказало изобретателю в дальнейших субсидиях.
В целом путь, избранный Максимом, Лэнгли, Адером, а также некоторыми другими изобретателями, оказался тупиковым. Развитие авиации пошло по другой дороге, которую указал немецкий изобретатель Отто Лилиенталь. В то время как другие уделяли все свое внимание «моторному полету», Лилиенталь поставил перед собой другую цель — постигнуть прежде всего секрет безмоторного парящего полета. Вместо дорогостоящих машин он строил легкие планеры и упорно работал над их совершенствованием. Кажется, идея планера это первое, о чем должны были подумать авиаторы, но в действительности все было по-другому. Вплоть до XIX века изобретатели при своих попытках оторваться от земли подражали гребному полету птицы. Из-за этого упорного старания следовать природе человек сравнительно поздно освоил планирующий полет. Между тем технические возможности для осуществления такого полета имелись уже в древности. Общее заблуждение состояло в том, что для полета, кроме крыльев, предполагали еще и наличие какой-то механической силы. Именно на этом пункте и сосредоточивались все усилия изобретателей.
Впервые внимание к парящему полету привлекла моментальная фотография. Известный немецкий фотограф Оттомар Аншютц, о котором уже говорилось в одной из предыдущих глав, сделал серию снимков полета аиста. Говорят, эти снимки попали в 1890 году на глаза Отто Лилиенталю и подтолкнули его к мысли построить планер. Действительно, фотографии Аншютца неоспоримо свидетельствовали, что в воздухе возможен такой полет, при котором работа, необходимая для передвижения и подъема летательного аппарата, осуществляется не им самим, а воздухом. Несколько фотографий изображали парящих аистов, которых поднимал вверх порыв ветра.
Первый планер Лилиенталя состоял из ивового, обтянутого материей каркаса, образующего округлые, вогнутые наподобие птичьих крылья в два яруса с небольшим хвостом сзади. Весь аппарат весил всего 20 кг. Лилиенталь подвешивался к нему, продев руки в два прикрепленных под крыльями ремня, и сбегал с холма навстречу ветру. Сначала он держал крылья наклоненными передним краем вниз, а затем подставлял ветру нижнюю их поверхность и, поднимая крылья, скользил по восходящему потоку. Равновесие поддерживалось балансированием тела вперед, назад и в сторону. Первоначально полеты были очень короткие — метров на 15 и производились с небольшого песчаного холма. Потом они стали более продолжительными и происходили с холма высотой 30 м. С 1891 по 1896 год Лилиенталь совершил более 2000 удачных скользящих полетов. В конце концов он мог пролетать более 100 м, находясь в воздухе до 30 секунд. Таким образом, Лилиенталь первый доказал возможность планирующего полета и первый правильно подошел к изучению аэродинамических сил, воздействующих на крыло. Эксперименты Лилиенталя привлекли к себе внимание во многих странах. Вскоре у него появились последователи. Но в августе 1896 года, во время одного из своих полетов, подхваченный резким порывом ветра, Лилиенталь упал с высоты 15 м и сломал позвоночник. В тот же день он умер.
В дальнейшем большое влияние на развитие летательных аппаратов оказали опыты американца Октава Шанюта. Первые его планеры были построены по образцу планеров Лилиенталя. Затем Шанют стал вносить в них различные изменения и в конце концов создал биплан с ровным крылом. Он также уделил большое внимание оформлению хвостового оперения, поместив там подвижные рули высоты и направления. Этот планер стал этапной конструкцией в истории авиации. Простой, рациональный, легкий, но в то же время прочный, он был лучшим летательным аппаратом своего времени. Наиболее яркая его особенность — конструкция крыла с горизонтальными очертаниями — стала в дальнейшем общепринятой. Шанют был первым, кто перестал рабски подражать форме птичьего крыла. Однако выравнивание планера оставалось таким же, как и у Лилиенталя — пилот повисал снизу на ремнях и, балансируя своим телом, поддерживал устойчивость аппарата. Однако и Шанют оставался в небе редким гостем. Длительность его полетов исчислялась секундами, а дальность — десятками метров.
Искусство полета в подлинном смысле этого слова впервые в истории освоили братья Уилбер и Орвилл Райт, владельцы велосипедной мастерской в небольшом американском городке Дейтоне. Они приступили к своим опытам в то время, когда в авиации установился глухой период затишья: летательные машины Адера и Максима, стоившие огромных денег, не полетели, смелый планерист Лилиенталь разбился. Ближайшей целью, которую поставили перед собой Райт, было добиться устойчивого и управляемого полета. В 1899 году они сделали свое первое (и как оказалось в дальнейшем, самое замечательное) открытие — они установили, что для обеспечения поперечной устойчивости аэроплана необходимо перекашивать концы его крыльев. Мысль эта пришла Уилберу Райту. Однажды, сгибая картонную коробку, он неожиданно подумал, что таким же образом можно изгибать концы крыльев аэроплана — одно вверх, другое вниз — и тем самым избавить его от заваливания в боковую сторону. После этого Райт стали продумывать устройство своего первого планера и выбрали схему, созданную Шанютом — биплан с двумя поддерживающими поверхностями, расположенными одна под другой.
Свой первый планер братья построили в 1900 году. Он точно воспроизводил аппараты Шанюта и только по своим размерам сильно превосходил их. Но были и некоторые отличия. Райт отказались от хвостового оперения, которое, по их словам, «скорее являлось источником неприятности, чем помощи». Они отказались также от регулирования устойчивости путем перемещения центра тяжести и снабдили свой аппарат настоящими рулями. Впереди планера они поместили горизонтальную поверхность — так называемый «руль высоты». Уклоняя эту поверхность вверх и вниз, можно было выравнивать все колебания аппарата в направлении полета (продольная устойчивость). Поперечная устойчивость обеспечивалась за счет перекашивания крыльев. Это был первый в истории планер, уверенно слушавшийся руля. Он прекрасно выдержал испытания — не только легко взмывал в воздух, но и поднимал человека. Пилот не подвешивался здесь на ремнях снизу аппарата, как это бывало прежде у других конструкторов, а лежал как на салазках. В 1901 году Райт построили второй планер по образцу первого, но только больших размеров.
Опробуя эти аппараты, они убедились, что им сильно не хватает теоретических знаний по аэродинамике. Впрочем, в то время эта наука находилась в самом зачаточном состоянии. Собрав все книги, посвященные описанию полета тел, какие они только смогли достать, Райт убедились, что не далеко смогут улететь на таком багаже. Недостающие таблицы они решили составить самостоятельно. Измерение сил сопротивления движущихся в воздухе тел можно производить двумя способами: или передвигать тело с определенной скоростью по спокойному воздуху, или обдувать неподвижное тело, направляя на него с определенной скоростью воздух. Лэнгли и Максим производили свои опыты исключительно первым способом, вращая предметы или модели рукой по воздуху. При этом способе очень трудно было измерить, под каким углом находилась вращаемая плоскость или модель в тот или иной момент. Кроме того, результаты испытаний искажались влиянием центробежной силы. Неудивительно, что они были противоречивыми и неточными. Райт избрали второй способ. В том же году они соорудили «ветряной туннель» — аэродинамическую трубу, в которую воздух нагнетался с помощью вентилятора. Для своего времени это было замечательное изобретение, которое сразу дало им огромное преимущество перед другими конструкторами и быстро продвинуло их к цели. В своей трубе братья испытали более 200 моделей, различных по форме профилей. Они изготовлялись из листового железа, чтобы их можно было изгибать различным образом. Такое систематическое измерение величин сопротивлений различных поверхностей и профилей крыльев при различных углах атаки в аэродинамической трубе никогда раньше до братьев Райт не производилось. Неудивительно, что и результаты этих упорных систематических опытов были решающими для их дальнейших успехов.
Главным результатом всех этих экспериментов стало определение так называемого центра давления, то есть равнодействующей всех сил давления на крыло при различных углах атаки. Значение положения равнодействующей, или центра давления, совершенно необходимо при конструировании аэропланов и при расчете их устойчивости. Другим важным результатом было определение подъемной силы крыльев и силы лобового сопротивления при разной скорости. Результаты своих исследований братья систематизировали в особых таблицах, которые потом служили для них карманным справочником. После этого, уже с учетом аэродинамических изысканий, они взялись за конструирование нового планера.
Третий планер 1902 года, в отличие от двух первых, имел вертикальный хвост. Пилот ложился здесь в особую колыбель между разрезом нижней плоскости и, приподнявшись на локтях, управлял руками передним рулем высоты, а движением тела вбок скашивал проволочными тросами концы крыльев. Запуская планер, два человека сбегали с ним с высокой горы против ветра.
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.
Но взлететь мало — надо уметь удержать аэроплан в воздухе. Ведь подъемная сила сохраняется лишь до тех пор, пока несущая поверхность крыла правильно ориентирована относительно воздушного потока. Нарушится ориентация — пропадет подъемная сила, и аэроплан рухнет на землю, словно провалится в яму. Устойчивость — эта главная проблема для любого летающего аппарата тяжелее воздуха. Если он не имеет механизма, обеспечивающего устойчивость, то превращается в игрушку коварного ветра. Опасности подстерегают такую машину на каждом шагу. Любой порыв ветра или неверный маневр пилота может привести к тому, что аэроплан завалится на бок или нос, перевернется и упадет.
К счастью, первые авиаторы имели хотя и смутное, но верное представление об ожидающих их опасностях и сумели до некоторой степени приготовиться к ним. Первый шаг в небо был сделан с помощью моделей. Прямыми предшественниками всех современных самолетов следует, видимо, считать игрушечные аэропланы Пено, которые он строил с 1871 года и запускал с помощью резиновых моторчиков. При весе в несколько граммов они летали по несколько десятков секунд. Эти модели, можно сказать, были первым зримым доказательством того, что аппараты тяжелее воздуха вообще способны летать. В 1872 году Пено пришел к чрезвычайно важному выводу, что для устойчивого полета аэроплана ему необходимо хвостовое оперение. Вскоре ему удалось придать своим аппаратам хорошую устойчивость относительно всех трех осей.
Впрочем, это было только начало. Прошло тридцать лет, прежде чем удалось создать самолет, способный поднять в небо человека. В конце XIX века в разных странах было сделано несколько попыток сооружения больших аэропланов с мощными двигателями. В 1894 году огромный самолет с размахом крыльев) 31, 5 м и весом около 3, 5 т попытался поднять в воздух известный изобретатель Хайрам Максим. Но при первой же попытке машина разбилась. Максим, потративший на свой опыт 20 тысяч фунтов стерлингов, более не возвращался к сооружению самолетов. Известный американский астроном Самюэль Лэнгли, получив от правительства США 50 тысяч долларов, в начале 1900-х годов построил несколько больших летательных аппаратов, которые неизменно разбивались при каждой попытке подняться в воздух. Во Франции подобными экспериментами и с тем же успехом занимался в конце 90-х годов инженер Клеман Адер. Истратив на его аппараты около 500 тысяч франков, французское правительства отказало изобретателю в дальнейших субсидиях.
В целом путь, избранный Максимом, Лэнгли, Адером, а также некоторыми другими изобретателями, оказался тупиковым. Развитие авиации пошло по другой дороге, которую указал немецкий изобретатель Отто Лилиенталь. В то время как другие уделяли все свое внимание «моторному полету», Лилиенталь поставил перед собой другую цель — постигнуть прежде всего секрет безмоторного парящего полета. Вместо дорогостоящих машин он строил легкие планеры и упорно работал над их совершенствованием. Кажется, идея планера это первое, о чем должны были подумать авиаторы, но в действительности все было по-другому. Вплоть до XIX века изобретатели при своих попытках оторваться от земли подражали гребному полету птицы. Из-за этого упорного старания следовать природе человек сравнительно поздно освоил планирующий полет. Между тем технические возможности для осуществления такого полета имелись уже в древности. Общее заблуждение состояло в том, что для полета, кроме крыльев, предполагали еще и наличие какой-то механической силы. Именно на этом пункте и сосредоточивались все усилия изобретателей.
Впервые внимание к парящему полету привлекла моментальная фотография. Известный немецкий фотограф Оттомар Аншютц, о котором уже говорилось в одной из предыдущих глав, сделал серию снимков полета аиста. Говорят, эти снимки попали в 1890 году на глаза Отто Лилиенталю и подтолкнули его к мысли построить планер. Действительно, фотографии Аншютца неоспоримо свидетельствовали, что в воздухе возможен такой полет, при котором работа, необходимая для передвижения и подъема летательного аппарата, осуществляется не им самим, а воздухом. Несколько фотографий изображали парящих аистов, которых поднимал вверх порыв ветра.
Первый планер Лилиенталя состоял из ивового, обтянутого материей каркаса, образующего округлые, вогнутые наподобие птичьих крылья в два яруса с небольшим хвостом сзади. Весь аппарат весил всего 20 кг. Лилиенталь подвешивался к нему, продев руки в два прикрепленных под крыльями ремня, и сбегал с холма навстречу ветру. Сначала он держал крылья наклоненными передним краем вниз, а затем подставлял ветру нижнюю их поверхность и, поднимая крылья, скользил по восходящему потоку. Равновесие поддерживалось балансированием тела вперед, назад и в сторону. Первоначально полеты были очень короткие — метров на 15 и производились с небольшого песчаного холма. Потом они стали более продолжительными и происходили с холма высотой 30 м. С 1891 по 1896 год Лилиенталь совершил более 2000 удачных скользящих полетов. В конце концов он мог пролетать более 100 м, находясь в воздухе до 30 секунд. Таким образом, Лилиенталь первый доказал возможность планирующего полета и первый правильно подошел к изучению аэродинамических сил, воздействующих на крыло. Эксперименты Лилиенталя привлекли к себе внимание во многих странах. Вскоре у него появились последователи. Но в августе 1896 года, во время одного из своих полетов, подхваченный резким порывом ветра, Лилиенталь упал с высоты 15 м и сломал позвоночник. В тот же день он умер.
В дальнейшем большое влияние на развитие летательных аппаратов оказали опыты американца Октава Шанюта. Первые его планеры были построены по образцу планеров Лилиенталя. Затем Шанют стал вносить в них различные изменения и в конце концов создал биплан с ровным крылом. Он также уделил большое внимание оформлению хвостового оперения, поместив там подвижные рули высоты и направления. Этот планер стал этапной конструкцией в истории авиации. Простой, рациональный, легкий, но в то же время прочный, он был лучшим летательным аппаратом своего времени. Наиболее яркая его особенность — конструкция крыла с горизонтальными очертаниями — стала в дальнейшем общепринятой. Шанют был первым, кто перестал рабски подражать форме птичьего крыла. Однако выравнивание планера оставалось таким же, как и у Лилиенталя — пилот повисал снизу на ремнях и, балансируя своим телом, поддерживал устойчивость аппарата. Однако и Шанют оставался в небе редким гостем. Длительность его полетов исчислялась секундами, а дальность — десятками метров.
Искусство полета в подлинном смысле этого слова впервые в истории освоили братья Уилбер и Орвилл Райт, владельцы велосипедной мастерской в небольшом американском городке Дейтоне. Они приступили к своим опытам в то время, когда в авиации установился глухой период затишья: летательные машины Адера и Максима, стоившие огромных денег, не полетели, смелый планерист Лилиенталь разбился. Ближайшей целью, которую поставили перед собой Райт, было добиться устойчивого и управляемого полета. В 1899 году они сделали свое первое (и как оказалось в дальнейшем, самое замечательное) открытие — они установили, что для обеспечения поперечной устойчивости аэроплана необходимо перекашивать концы его крыльев. Мысль эта пришла Уилберу Райту. Однажды, сгибая картонную коробку, он неожиданно подумал, что таким же образом можно изгибать концы крыльев аэроплана — одно вверх, другое вниз — и тем самым избавить его от заваливания в боковую сторону. После этого Райт стали продумывать устройство своего первого планера и выбрали схему, созданную Шанютом — биплан с двумя поддерживающими поверхностями, расположенными одна под другой.
Свой первый планер братья построили в 1900 году. Он точно воспроизводил аппараты Шанюта и только по своим размерам сильно превосходил их. Но были и некоторые отличия. Райт отказались от хвостового оперения, которое, по их словам, «скорее являлось источником неприятности, чем помощи». Они отказались также от регулирования устойчивости путем перемещения центра тяжести и снабдили свой аппарат настоящими рулями. Впереди планера они поместили горизонтальную поверхность — так называемый «руль высоты». Уклоняя эту поверхность вверх и вниз, можно было выравнивать все колебания аппарата в направлении полета (продольная устойчивость). Поперечная устойчивость обеспечивалась за счет перекашивания крыльев. Это был первый в истории планер, уверенно слушавшийся руля. Он прекрасно выдержал испытания — не только легко взмывал в воздух, но и поднимал человека. Пилот не подвешивался здесь на ремнях снизу аппарата, как это бывало прежде у других конструкторов, а лежал как на салазках. В 1901 году Райт построили второй планер по образцу первого, но только больших размеров.
Опробуя эти аппараты, они убедились, что им сильно не хватает теоретических знаний по аэродинамике. Впрочем, в то время эта наука находилась в самом зачаточном состоянии. Собрав все книги, посвященные описанию полета тел, какие они только смогли достать, Райт убедились, что не далеко смогут улететь на таком багаже. Недостающие таблицы они решили составить самостоятельно. Измерение сил сопротивления движущихся в воздухе тел можно производить двумя способами: или передвигать тело с определенной скоростью по спокойному воздуху, или обдувать неподвижное тело, направляя на него с определенной скоростью воздух. Лэнгли и Максим производили свои опыты исключительно первым способом, вращая предметы или модели рукой по воздуху. При этом способе очень трудно было измерить, под каким углом находилась вращаемая плоскость или модель в тот или иной момент. Кроме того, результаты испытаний искажались влиянием центробежной силы. Неудивительно, что они были противоречивыми и неточными. Райт избрали второй способ. В том же году они соорудили «ветряной туннель» — аэродинамическую трубу, в которую воздух нагнетался с помощью вентилятора. Для своего времени это было замечательное изобретение, которое сразу дало им огромное преимущество перед другими конструкторами и быстро продвинуло их к цели. В своей трубе братья испытали более 200 моделей, различных по форме профилей. Они изготовлялись из листового железа, чтобы их можно было изгибать различным образом. Такое систематическое измерение величин сопротивлений различных поверхностей и профилей крыльев при различных углах атаки в аэродинамической трубе никогда раньше до братьев Райт не производилось. Неудивительно, что и результаты этих упорных систематических опытов были решающими для их дальнейших успехов.
Главным результатом всех этих экспериментов стало определение так называемого центра давления, то есть равнодействующей всех сил давления на крыло при различных углах атаки. Значение положения равнодействующей, или центра давления, совершенно необходимо при конструировании аэропланов и при расчете их устойчивости. Другим важным результатом было определение подъемной силы крыльев и силы лобового сопротивления при разной скорости. Результаты своих исследований братья систематизировали в особых таблицах, которые потом служили для них карманным справочником. После этого, уже с учетом аэродинамических изысканий, они взялись за конструирование нового планера.
Третий планер 1902 года, в отличие от двух первых, имел вертикальный хвост. Пилот ложился здесь в особую колыбель между разрезом нижней плоскости и, приподнявшись на локтях, управлял руками передним рулем высоты, а движением тела вбок скашивал проволочными тросами концы крыльев. Запуская планер, два человека сбегали с ним с высокой горы против ветра.