После войны в СССР были созданы конструкторские бюро М. Л. Миля и Н. С. Камова. В первом разрабатывались одновинтовые вертолеты, во втором – вертолеты, работающие по двухвинтовой соосной схеме. Кроме них вертолетами занималось КБ А. С. Яковлева. Первым советским серийным вертолетом стал Ми-1, выпуск которого начался в 1951 году.
На современных вертолетах устанавливают поршневые и воздушно-реактивные двигатели. Для кратковременного увеличения мощности при взлете и посадке вертолета может применяться ракетный двигатель. На некоторых вертолетах применяли самолетные одновальные турбовинтовые двигатели и двухвальные турбовинтовые двигатели со свободной турбиной. Возможен также реактивный привод несущего винта, в котором окружное усилие создается автономными реактивными двигателями, расположенными на лопастях несущего винта, или истечением газа из сопловых отверстий, расположенных на концах лопастей.
Вертолеты применяются в вооруженных силах для перевозки войск и грузов, огневой поддержки сухопутных войск, разведки, поиска и уничтожения подводных лодок. В народном хозяйстве вертолеты используются для перевозки пассажиров, грузов, уничтожения вредителей сельхозкультур, удобрения полей, монтажных работ.
Видеомагнитофон
Воздушный шар
Географические карты
На современных вертолетах устанавливают поршневые и воздушно-реактивные двигатели. Для кратковременного увеличения мощности при взлете и посадке вертолета может применяться ракетный двигатель. На некоторых вертолетах применяли самолетные одновальные турбовинтовые двигатели и двухвальные турбовинтовые двигатели со свободной турбиной. Возможен также реактивный привод несущего винта, в котором окружное усилие создается автономными реактивными двигателями, расположенными на лопастях несущего винта, или истечением газа из сопловых отверстий, расположенных на концах лопастей.
Вертолеты применяются в вооруженных силах для перевозки войск и грузов, огневой поддержки сухопутных войск, разведки, поиска и уничтожения подводных лодок. В народном хозяйстве вертолеты используются для перевозки пассажиров, грузов, уничтожения вредителей сельхозкультур, удобрения полей, монтажных работ.
Видеомагнитофон
Видеомагнитофон предназначен для записи на магнитную ленту и последующего воспроизведения электрических сигналов изображения и звукового сопровождения телевизионных передач.
Казалось бы, что после создания магнитофона запись изображения на магнитную ленту не будет представлять больших проблем.
Вначале предпринимались попытки записи изображений с помощью продольного способа, который применялся для магнитной записи звука. При этом способе лента протягивается относительно неподвижной головки. Но этот способ оказался неэффективным.
Причина в следующем: чтобы записать спектр звука с максимальной частотой 20 кГц, ленту протягивают мимо головки со скоростью около 9,5 см/с; при скорости вдвое меньшей, то есть 4,7 см/с, предельная частота записи 10 кГц, а при скорости 2,4 см/с – не более 4–5 кГц. Таким образом, для увеличения максимальной частоты записываемого сигнала нужно в два раза повысить скорость протягивания ленты.
В действительности многое зависит от состава ферромагнитного слоя, его зернистости, толщины и ширины зазора в головке. Но, в общем, суть проблемы не меняется: чем меньше скорость, тем ниже частота, которую еще можно записать.
Приведенные цифры относятся к магнитной записи звука. А вот как обстоят дела с записью изображения.
В большинстве телевизионных стандартов мира при считывании картинки электронный луч прочерчивает по ней 625 строк, в каждой строке может быть воспроизведено примерно 800 точек различной яркости. То есть телевизионная картинка – это мозаика из 625×800=500 000 точек. Для воспроизведения движения картинка передается 25 раз в секунду, поэтому каждую секунду в телевидении может передаваться 500 000×25=12,5 млн сообщений о яркости различных точек. То есть ток считывающего луча может меняться более 12 млн раз в секунду и в спектре видеосигнала могут быть составляющие с частотой более 6 мегагерц. Это в 300 с лишним раз превышает наибольшую частоту в спектре звукового сигнала (20 кГц). Если для записи звука магнитная лента протягивается мимо головки со скоростью 9,5 см/с, то для записи видеосигнала нужно протягивать ленту в 300 раз быстрее, т. е. со скоростью 30 м/с или около 100 км/час.
На заре видеозаписи были попытки записывать видеосигнал, протягивая пленку на больших скоростях. Подобные попытки не дали желаемых результатов. Несмотря на это, видеозапись стала реальностью – решение проблемы в принципе оказалось очень простым.
Первые серьезные результаты были получены в начале 1950-х годов благодаря использованию поперечно-строчного способа магнитной записи видеосигналов. При поперечно-строчной записи одна или несколько головок располагались на вращающемся диске, ось вращения которого совпадала с направлением движения ленты. При одновременном движении ленты и вращении диска головки «прочерчивали» на ленте практически поперечные строчки записи. Причем относительная скорость головки относительно ленты была гораздо более высокой, чем скорость протягивания самой ленты. Это существенно повысило плотность записи и уменьшило скорость движения ленты, а следовательно, и ее расход.
Этот способ изобрели американские инженеры Гинзбург и Андерсон из фирмы АМРЕХ, которую создал русский эмигрант А. М. Понятов. В его честь сам процесс записи долго называли «ампексированием».
Еще одним новшеством было применение переноса спектра телевизионного сигнала при записи в более высокочастотную область. Оно осуществлялось путем частотной модуляции несущего колебания. Его частота была чуть больше, чем верхняя частота видеосигнала. Это позволило регистрировать сигнал изображения в необходимой полосе частот 50 Гц–5,5 МГц.
Конструкция механизма видеомагнитофона с поперечно-строчной записью была достаточно сложной. Более простым решением оказалось применение наклонно-строчного способа записи, при котором лента со сравнительно небольшой скоростью протягивается вперед, а вращаются головки, закрепленные на барабане. Ось вращения барабана расположена под определенным углом к продольной оси ленты. Дорожки видеозаписи представляют собой отдельные строчки, расположенные одна рядом с другой под углом к продольной оси ленты.
Необходимая скорость движения головки относительно ленты достигается довольно легко – если головка расположена на барабане диаметром 10 см и он совершает 6 тысяч оборотов в минуту, то скорость движения головки относительно ленты составляет около 30 м/с.
Первые видеомагнитофоны были катушечными и предназначались для профессионального использования. Одной из причин, по которой распространение видеомагнитофонов в быту было медленным, являлась сложность заправки ленты в лентопротяжный механизм катушечного видеомагнитофона.
Первые кассетные видеомагнитофоны, в которых заправка ленты происходила автоматически, стала выпускать фирма «Сони» в формате U-Matic в 1971 г. и фирма «Филипс» в формате VCR в 1972 г.
Сейчас наиболее распространенным форматом бытовой видеозаписи является VHS (Video Home System), разработанный японскими фирмами «Мацусита» и JVC в 1975 г., а также его модификации.
В этом стандарте лента шириной 12,65 мм располагается в кассете размером 188×104×25 мм. Продолжительность записи зависит от толщины ленты и может достигать 300 минут для одной кассеты при стандартной скорости движения ленты.
Сначала для записи и воспроизведения изображения применялся вращающийся барабан с двумя видеоголовками, расположенный наклонно относительно ленты. Одна из них записывала один полукадр на одной наклонной строчке. После окончания записи полукадра, первая головка отходила от пленки, а вторая подходила к ней и начинала писать на соседней строке следующий полукадр. Эти строки располагались рядом без зазора.
В дальнейшем стали использовать четыре видеоголовки. Это позволило вести экономную запись и воспроизведение при меньшей скорости ленты (режим «long play»). Кроме того, их применение улучшило качество воспроизводимого изображения при замедленном, ускоренном и покадровом воспроизведении.
По верхнему краю видеоленты проходит продольная дорожка, на которой при помощи неподвижной головки осуществляется запись звука.
Для записи стереозвука позже начали применять блок из двух головок. Из-за малой скорости движения ленты – всего 2,4 см/с, диапазон записываемых звуковых частот был узким – 70–8000 Гц. Затем, благодаря улучшению качества лент и применению более совершенных головок, его удалось расширить до 40–13 000 Гц.
В нижней части ленты находится дорожка управления, на которой записываются управляющие сигналы. Они синхронизируют вращение барабана при воспроизведении так, чтобы головки точно попадали на дорожки записи. Относительная скорость видеозаписи составляет 4,84 м/с. Это позволило записывать и воспроизводить видеосигналы с разрешающей способностью около 240 линий по горизонтали.
В 1984 г. формат VHS был утвержден в качестве формата бытовой видеозаписи.
Позже были разработаны и другие форматы видеозаписи, представляющие собой усовершенствованный формат VHS: VHS-HQ, Hi-Fi VHS, Super VHS и др.
В 1980-е годы были созданы и другие стандарты видеозаписи, например Video-8 (Hi-8) и Бетакам.
В 1986 г. фирма «Сони» создала первый промышленный цифровой видеомагнитофон DVR-1000 формата D1. Так начался этап цифровых видеомагнитофонов, обеспечивающих более высокое качество записи и воспроизведения.
Казалось бы, что после создания магнитофона запись изображения на магнитную ленту не будет представлять больших проблем.
Вначале предпринимались попытки записи изображений с помощью продольного способа, который применялся для магнитной записи звука. При этом способе лента протягивается относительно неподвижной головки. Но этот способ оказался неэффективным.
Причина в следующем: чтобы записать спектр звука с максимальной частотой 20 кГц, ленту протягивают мимо головки со скоростью около 9,5 см/с; при скорости вдвое меньшей, то есть 4,7 см/с, предельная частота записи 10 кГц, а при скорости 2,4 см/с – не более 4–5 кГц. Таким образом, для увеличения максимальной частоты записываемого сигнала нужно в два раза повысить скорость протягивания ленты.
В действительности многое зависит от состава ферромагнитного слоя, его зернистости, толщины и ширины зазора в головке. Но, в общем, суть проблемы не меняется: чем меньше скорость, тем ниже частота, которую еще можно записать.
Приведенные цифры относятся к магнитной записи звука. А вот как обстоят дела с записью изображения.
В большинстве телевизионных стандартов мира при считывании картинки электронный луч прочерчивает по ней 625 строк, в каждой строке может быть воспроизведено примерно 800 точек различной яркости. То есть телевизионная картинка – это мозаика из 625×800=500 000 точек. Для воспроизведения движения картинка передается 25 раз в секунду, поэтому каждую секунду в телевидении может передаваться 500 000×25=12,5 млн сообщений о яркости различных точек. То есть ток считывающего луча может меняться более 12 млн раз в секунду и в спектре видеосигнала могут быть составляющие с частотой более 6 мегагерц. Это в 300 с лишним раз превышает наибольшую частоту в спектре звукового сигнала (20 кГц). Если для записи звука магнитная лента протягивается мимо головки со скоростью 9,5 см/с, то для записи видеосигнала нужно протягивать ленту в 300 раз быстрее, т. е. со скоростью 30 м/с или около 100 км/час.
На заре видеозаписи были попытки записывать видеосигнал, протягивая пленку на больших скоростях. Подобные попытки не дали желаемых результатов. Несмотря на это, видеозапись стала реальностью – решение проблемы в принципе оказалось очень простым.
Первые серьезные результаты были получены в начале 1950-х годов благодаря использованию поперечно-строчного способа магнитной записи видеосигналов. При поперечно-строчной записи одна или несколько головок располагались на вращающемся диске, ось вращения которого совпадала с направлением движения ленты. При одновременном движении ленты и вращении диска головки «прочерчивали» на ленте практически поперечные строчки записи. Причем относительная скорость головки относительно ленты была гораздо более высокой, чем скорость протягивания самой ленты. Это существенно повысило плотность записи и уменьшило скорость движения ленты, а следовательно, и ее расход.
Этот способ изобрели американские инженеры Гинзбург и Андерсон из фирмы АМРЕХ, которую создал русский эмигрант А. М. Понятов. В его честь сам процесс записи долго называли «ампексированием».
Еще одним новшеством было применение переноса спектра телевизионного сигнала при записи в более высокочастотную область. Оно осуществлялось путем частотной модуляции несущего колебания. Его частота была чуть больше, чем верхняя частота видеосигнала. Это позволило регистрировать сигнал изображения в необходимой полосе частот 50 Гц–5,5 МГц.
Конструкция механизма видеомагнитофона с поперечно-строчной записью была достаточно сложной. Более простым решением оказалось применение наклонно-строчного способа записи, при котором лента со сравнительно небольшой скоростью протягивается вперед, а вращаются головки, закрепленные на барабане. Ось вращения барабана расположена под определенным углом к продольной оси ленты. Дорожки видеозаписи представляют собой отдельные строчки, расположенные одна рядом с другой под углом к продольной оси ленты.
Необходимая скорость движения головки относительно ленты достигается довольно легко – если головка расположена на барабане диаметром 10 см и он совершает 6 тысяч оборотов в минуту, то скорость движения головки относительно ленты составляет около 30 м/с.
Первые видеомагнитофоны были катушечными и предназначались для профессионального использования. Одной из причин, по которой распространение видеомагнитофонов в быту было медленным, являлась сложность заправки ленты в лентопротяжный механизм катушечного видеомагнитофона.
Первые кассетные видеомагнитофоны, в которых заправка ленты происходила автоматически, стала выпускать фирма «Сони» в формате U-Matic в 1971 г. и фирма «Филипс» в формате VCR в 1972 г.
Сейчас наиболее распространенным форматом бытовой видеозаписи является VHS (Video Home System), разработанный японскими фирмами «Мацусита» и JVC в 1975 г., а также его модификации.
В этом стандарте лента шириной 12,65 мм располагается в кассете размером 188×104×25 мм. Продолжительность записи зависит от толщины ленты и может достигать 300 минут для одной кассеты при стандартной скорости движения ленты.
Сначала для записи и воспроизведения изображения применялся вращающийся барабан с двумя видеоголовками, расположенный наклонно относительно ленты. Одна из них записывала один полукадр на одной наклонной строчке. После окончания записи полукадра, первая головка отходила от пленки, а вторая подходила к ней и начинала писать на соседней строке следующий полукадр. Эти строки располагались рядом без зазора.
В дальнейшем стали использовать четыре видеоголовки. Это позволило вести экономную запись и воспроизведение при меньшей скорости ленты (режим «long play»). Кроме того, их применение улучшило качество воспроизводимого изображения при замедленном, ускоренном и покадровом воспроизведении.
По верхнему краю видеоленты проходит продольная дорожка, на которой при помощи неподвижной головки осуществляется запись звука.
Для записи стереозвука позже начали применять блок из двух головок. Из-за малой скорости движения ленты – всего 2,4 см/с, диапазон записываемых звуковых частот был узким – 70–8000 Гц. Затем, благодаря улучшению качества лент и применению более совершенных головок, его удалось расширить до 40–13 000 Гц.
В нижней части ленты находится дорожка управления, на которой записываются управляющие сигналы. Они синхронизируют вращение барабана при воспроизведении так, чтобы головки точно попадали на дорожки записи. Относительная скорость видеозаписи составляет 4,84 м/с. Это позволило записывать и воспроизводить видеосигналы с разрешающей способностью около 240 линий по горизонтали.
В 1984 г. формат VHS был утвержден в качестве формата бытовой видеозаписи.
Позже были разработаны и другие форматы видеозаписи, представляющие собой усовершенствованный формат VHS: VHS-HQ, Hi-Fi VHS, Super VHS и др.
В 1980-е годы были созданы и другие стандарты видеозаписи, например Video-8 (Hi-8) и Бетакам.
В 1986 г. фирма «Сони» создала первый промышленный цифровой видеомагнитофон DVR-1000 формата D1. Так начался этап цифровых видеомагнитофонов, обеспечивающих более высокое качество записи и воспроизведения.
Воздушный шар
Хотя история воздухоплавания насчитывает чуть более двухсот лет, стремление человека оторваться от Земли и взлететь, подобно птице, проявлялось еще в глубокой древности. Умение летать считалось чем-то необычайным, присущим могущественным волшебникам или, по мнению наших предков, богам. Неслучайно многие из богов изображались в виде крылатых существ. Наиболее известное предание о полетах человека – миф о великом мастере Дедале и его сыне Икаре. Скрываясь от гнева царя Миноса, они улетели с Крита на крыльях, сделанных из птичьих перьев, скрепленных воском. Мудрый Дедал летел невысоко. А его сын, несмотря на предостережения отца, устремился к Солнцу. Солнечные лучи растопили воск, и Икар упал в Эгейское море.
Желание овладеть воздушной стихией привело к появлению множества проектов, большей частью неосуществимых. Тема воздухоплавания присутствует во многих литературных произведениях. Так, известный забияка и дуэлянт Сирано де Бержерак в своем романе «Иной свет, или Государства и империи Луны» описал несколько летательных аппаратов для путешествия по воздуху. Один из этих аппаратов поразительно похож на аэростат Монгольфье. Герой романа с помощью двух наполненных дымом герметических оболочек долетает до Луны, где выпускает дым и, пользуясь оболочками как парашютом, опускается на ее поверхность.
В 1670 г. итальянец Лан предложил проект воздушного корабля. Он представлял собой гондолу, к которой канатами прикреплялись четыре полых шара из меди или жести диаметром 7,5 метра и толщиной стенок 0,5 миллиметра. Посредине гондолы была прикреплена мачта с парусом. Изобретатель предлагал выкачать воздух из шаров, с тем чтобы разность между массой вытесненного шарами воздуха и их собственной массой была достаточной для поднятия гондолы с пассажирами.
Этот проект был не выполним, поскольку при такой толщине стенок шара силы внешнего атмосферного давления неминуемо бы его смяли. Но вместе с тем, это был первый проект летательного аппарата, принцип работы которого основан на законе Архимеда.
Важнейшим событием, оказавшим влияние на развитие воздухоплавания, стало открытие и исследование Генри Кавендишем в 1766 г. водорода, или, как его называли тогда, «горючего воздуха». Из-за малой плотности его сразу начали рассматривать как несущий газ для воздушных шаров.
Мир стоял на пороге воздухоплавания. Но многие авторитетные ученые того времени отвергали возможность этого. Так астроном Лаланд в 1782 г. писал: «Невозможность подняться вверх с помощью ударов крыльями столь же твердо установлена, как и невозможность подняться с помощью тел, из которых выкачан воздух».
Действительность не преминула в очередной раз опровергнуть заявление непререкаемого «авторитета».
В 1783 г. наблюдения Жозефа и Этьена Монгольфье за облаками привели их к мысли использовать для аэростата водяной пар. Но первые опыты оказались неудачными из-за слишком тяжелой оболочки и быстрой конденсации пара. Тогда они решили использовать дым, образующийся при горении шерсти и сырой соломы. По мнению братьев, дым имел электрические свойства, а электричеству они приписывали свойства отталкиваться от поверхности земли.
После ряда неудач пришел успех – одна оболочка, наполненная дымом, оторвалась от удерживающих веревок и поднялась на высоту около 300 метров. После десятиминутного пребывания в воздухе оболочка рухнула на землю.
5 июня 1783 г. прошло официальное испытание нового аппарата. В присутствии зрителей наполненная дымом оболочка объемом 600 м3 поднялась на высоту около двух тысяч метров и затем упала на расстоянии двух километров от места подъема. Так началась эра воздухоплавания.
27 августа 1783 г. в Париже состоялся полет аэростата профессора Шарля. В отличие от аппарата Монгольфье с матерчатой, оклеенной изнутри бумагой камерой, аэростат Шарля был сделан из шелка, пропитанного каучуком. Объем его был 35 м3. Но главное отличие состояло в том, что оболочка наполнялась водородом. Аппарат Шарля быстро поднялся на высоту 950 метров и скрылся в облаках. От избыточного давления на большой высоте его оболочка лопнула, деревенские жители, напуганные непонятным предметом, свалившимся с неба, поспешили уничтожить шар.
После этого полета аэростаты, наполненные горячим воздухом или дымом, стали называть монгольфьерами, а наполненные водородом – шарльерами.
19 сентября 1783 г. в воздух поднялся монгольфьер с подвешенной на цепях клеткой. В ней находились первые «воздухоплаватели» – петух, утка и баран. Они благополучно перенесли полет. Теперь стало возможным поднять на аэростате человека.
21 ноября 1783 г. в воздух на монгольфьере поднялись Пилатр де Розье и Арланд. Их аппарат, преодолев 8 километров, приземлился в пригороде Парижа. В полете они едва не погибли из-за пожара.
1 ноября того же года профессор Шарль вместе с единомышленником Робером поднялся в воздух на аэростате собственной конструкции. Они пробыли в воздухе 2 часа 15 минут, пролетев за это время 40 километров.
Следует отметить, что конструкция шарльера была более совершенной, чем монгольфьера. Первый обладал большей подъемной силой. Кроме того, недостатком монгольфьера была высокая пожароопасность из-за соседства открытого огня и легковоспламеняемой оболочки.
Полеты на воздушных шарах становились все более популярными. С начала XIX века их стали использовать для научных целей. В 1802 г. Гумбольдт и Бомплан исследовали зависимость изменения температуры воздуха от высоты. В полетах принимали участие русский академик Захаров и Гей-Люссак. Исследования позволили получить данные о зависимости температуры, давления, влажности воздуха, его состава от высоты. Было изучено воздействие высоты на организм человека.
В 1887 г. Д. И. Менделеев совершил самостоятельный полет, чтобы наблюдать солнечное затмение.
В первых научных полетах аэронавтам удавалось подняться на высоту семь и более тысяч метров. Начиная с 5000 метров у них появлялась слабость, головокружение, снижение остроты слуха и зрения. С увеличением высоты эти симптомы усугублялись. На высоте более 8000 метров человек терял сознание.
В некоторых высотных полетах стали использовать баллоны, позволяющие вдыхать чистый кислород. Но полностью решить эту проблему не удавалось. Несмотря на это, к концу XIX века на аэростатах были поставлены рекорды.
В 1894 г. немец Берсон на аэростате «Феникс» поднялся на высоту 9150 метров, а в 1900 году во время Всемирной выставки в Париже французы де ла Во и Костельон на аэростате «Центавр» за 35 часов 45 минут преодолели расстояние в 1922 километра, приземлившись в Киевской губернии.
Успехи аэронавтики рассматривали как доказательство возможности достичь на воздушном шаре Северного полюса. Такую попытку предпринял в 1897 г. швед С. А. Андре. Его аэростат «Орел» был сконструирован с учетом суровых климатических условий Арктики. Для повышения надежности на нем было предусмотрено три клапана для выпуска газа. Гондола представляла собой закрытую со всех сторон каюту, на крыше которой находилась площадка для наблюдений. При необходимости она могла быть переоборудована в лодку или сани.
11 июля 1897 г. Андре вместе со Стриндбергом и Френкелем поднялся в воздух с острова, расположенного неподалеку от Шпицбергена. Спустя два дня после начала полета Андре послал с почтовым голубем свое последнее сообщение. Лишь в 1930 г. был обнаружен лагерь отважных воздухоплавателей.
Гибель экспедиции Андре показала, что аэростат нельзя считать надежным средством воздушного передвижения. Несмотря на все усовершенствования, они всецело зависели от погодных условий: силы и направления ветра, температуры, давления и влажности воздуха.
С момента своего появления воздушные шары использовались в военных целях – для наблюдения за наземными войсками, в составе кораблей на море – для обнаружения мин и подводных лодок противника. С появлением боевой авиации стали применять привязные аэростаты заграждения, связанные с землей прочным стальным тросом.
В 20–30-е годы XX в. были созданы стратостаты – аэростаты с герметичной гондолой для исследования верхних слоев атмосферы. Они достигали высоты 20 километров.
В настоящее время воздушные шары нашли себе применение в метеорологии для запуска на большие высоты автоматических метеорологических станций. Появление современных прочных газонепроницаемых материалов, газовых горелок, позволяющих длительное время поддерживать высокую температуру внутри шара, дали возможность создать воздушные шары для спортивных целей.
Воздушные шары, несмотря на все свои недостатки, позволили человечеству расширить свои возможности, освоить «пятый океан» – атмосферу Земли.
Желание овладеть воздушной стихией привело к появлению множества проектов, большей частью неосуществимых. Тема воздухоплавания присутствует во многих литературных произведениях. Так, известный забияка и дуэлянт Сирано де Бержерак в своем романе «Иной свет, или Государства и империи Луны» описал несколько летательных аппаратов для путешествия по воздуху. Один из этих аппаратов поразительно похож на аэростат Монгольфье. Герой романа с помощью двух наполненных дымом герметических оболочек долетает до Луны, где выпускает дым и, пользуясь оболочками как парашютом, опускается на ее поверхность.
В 1670 г. итальянец Лан предложил проект воздушного корабля. Он представлял собой гондолу, к которой канатами прикреплялись четыре полых шара из меди или жести диаметром 7,5 метра и толщиной стенок 0,5 миллиметра. Посредине гондолы была прикреплена мачта с парусом. Изобретатель предлагал выкачать воздух из шаров, с тем чтобы разность между массой вытесненного шарами воздуха и их собственной массой была достаточной для поднятия гондолы с пассажирами.
Этот проект был не выполним, поскольку при такой толщине стенок шара силы внешнего атмосферного давления неминуемо бы его смяли. Но вместе с тем, это был первый проект летательного аппарата, принцип работы которого основан на законе Архимеда.
Важнейшим событием, оказавшим влияние на развитие воздухоплавания, стало открытие и исследование Генри Кавендишем в 1766 г. водорода, или, как его называли тогда, «горючего воздуха». Из-за малой плотности его сразу начали рассматривать как несущий газ для воздушных шаров.
Мир стоял на пороге воздухоплавания. Но многие авторитетные ученые того времени отвергали возможность этого. Так астроном Лаланд в 1782 г. писал: «Невозможность подняться вверх с помощью ударов крыльями столь же твердо установлена, как и невозможность подняться с помощью тел, из которых выкачан воздух».
Действительность не преминула в очередной раз опровергнуть заявление непререкаемого «авторитета».
В 1783 г. наблюдения Жозефа и Этьена Монгольфье за облаками привели их к мысли использовать для аэростата водяной пар. Но первые опыты оказались неудачными из-за слишком тяжелой оболочки и быстрой конденсации пара. Тогда они решили использовать дым, образующийся при горении шерсти и сырой соломы. По мнению братьев, дым имел электрические свойства, а электричеству они приписывали свойства отталкиваться от поверхности земли.
После ряда неудач пришел успех – одна оболочка, наполненная дымом, оторвалась от удерживающих веревок и поднялась на высоту около 300 метров. После десятиминутного пребывания в воздухе оболочка рухнула на землю.
5 июня 1783 г. прошло официальное испытание нового аппарата. В присутствии зрителей наполненная дымом оболочка объемом 600 м3 поднялась на высоту около двух тысяч метров и затем упала на расстоянии двух километров от места подъема. Так началась эра воздухоплавания.
27 августа 1783 г. в Париже состоялся полет аэростата профессора Шарля. В отличие от аппарата Монгольфье с матерчатой, оклеенной изнутри бумагой камерой, аэростат Шарля был сделан из шелка, пропитанного каучуком. Объем его был 35 м3. Но главное отличие состояло в том, что оболочка наполнялась водородом. Аппарат Шарля быстро поднялся на высоту 950 метров и скрылся в облаках. От избыточного давления на большой высоте его оболочка лопнула, деревенские жители, напуганные непонятным предметом, свалившимся с неба, поспешили уничтожить шар.
После этого полета аэростаты, наполненные горячим воздухом или дымом, стали называть монгольфьерами, а наполненные водородом – шарльерами.
19 сентября 1783 г. в воздух поднялся монгольфьер с подвешенной на цепях клеткой. В ней находились первые «воздухоплаватели» – петух, утка и баран. Они благополучно перенесли полет. Теперь стало возможным поднять на аэростате человека.
21 ноября 1783 г. в воздух на монгольфьере поднялись Пилатр де Розье и Арланд. Их аппарат, преодолев 8 километров, приземлился в пригороде Парижа. В полете они едва не погибли из-за пожара.
1 ноября того же года профессор Шарль вместе с единомышленником Робером поднялся в воздух на аэростате собственной конструкции. Они пробыли в воздухе 2 часа 15 минут, пролетев за это время 40 километров.
Следует отметить, что конструкция шарльера была более совершенной, чем монгольфьера. Первый обладал большей подъемной силой. Кроме того, недостатком монгольфьера была высокая пожароопасность из-за соседства открытого огня и легковоспламеняемой оболочки.
Полеты на воздушных шарах становились все более популярными. С начала XIX века их стали использовать для научных целей. В 1802 г. Гумбольдт и Бомплан исследовали зависимость изменения температуры воздуха от высоты. В полетах принимали участие русский академик Захаров и Гей-Люссак. Исследования позволили получить данные о зависимости температуры, давления, влажности воздуха, его состава от высоты. Было изучено воздействие высоты на организм человека.
В 1887 г. Д. И. Менделеев совершил самостоятельный полет, чтобы наблюдать солнечное затмение.
В первых научных полетах аэронавтам удавалось подняться на высоту семь и более тысяч метров. Начиная с 5000 метров у них появлялась слабость, головокружение, снижение остроты слуха и зрения. С увеличением высоты эти симптомы усугублялись. На высоте более 8000 метров человек терял сознание.
В некоторых высотных полетах стали использовать баллоны, позволяющие вдыхать чистый кислород. Но полностью решить эту проблему не удавалось. Несмотря на это, к концу XIX века на аэростатах были поставлены рекорды.
В 1894 г. немец Берсон на аэростате «Феникс» поднялся на высоту 9150 метров, а в 1900 году во время Всемирной выставки в Париже французы де ла Во и Костельон на аэростате «Центавр» за 35 часов 45 минут преодолели расстояние в 1922 километра, приземлившись в Киевской губернии.
Успехи аэронавтики рассматривали как доказательство возможности достичь на воздушном шаре Северного полюса. Такую попытку предпринял в 1897 г. швед С. А. Андре. Его аэростат «Орел» был сконструирован с учетом суровых климатических условий Арктики. Для повышения надежности на нем было предусмотрено три клапана для выпуска газа. Гондола представляла собой закрытую со всех сторон каюту, на крыше которой находилась площадка для наблюдений. При необходимости она могла быть переоборудована в лодку или сани.
11 июля 1897 г. Андре вместе со Стриндбергом и Френкелем поднялся в воздух с острова, расположенного неподалеку от Шпицбергена. Спустя два дня после начала полета Андре послал с почтовым голубем свое последнее сообщение. Лишь в 1930 г. был обнаружен лагерь отважных воздухоплавателей.
Гибель экспедиции Андре показала, что аэростат нельзя считать надежным средством воздушного передвижения. Несмотря на все усовершенствования, они всецело зависели от погодных условий: силы и направления ветра, температуры, давления и влажности воздуха.
С момента своего появления воздушные шары использовались в военных целях – для наблюдения за наземными войсками, в составе кораблей на море – для обнаружения мин и подводных лодок противника. С появлением боевой авиации стали применять привязные аэростаты заграждения, связанные с землей прочным стальным тросом.
В 20–30-е годы XX в. были созданы стратостаты – аэростаты с герметичной гондолой для исследования верхних слоев атмосферы. Они достигали высоты 20 километров.
В настоящее время воздушные шары нашли себе применение в метеорологии для запуска на большие высоты автоматических метеорологических станций. Появление современных прочных газонепроницаемых материалов, газовых горелок, позволяющих длительное время поддерживать высокую температуру внутри шара, дали возможность создать воздушные шары для спортивных целей.
Воздушные шары, несмотря на все свои недостатки, позволили человечеству расширить свои возможности, освоить «пятый океан» – атмосферу Земли.
Географические карты
Географические карты – средство выражения наших представлений об окружающем мире, способ осмысления пространственной информации. Это язык с историей более древней, чем письменность. Известны наскальные картографические изображения, датированные каменным веком.
У каждого народа на разных этапах развития были свои особые карты.
Одним из основных занятий первобытного человека было собирательство злаков, заставлявшее его постоянно перемещаться. Человек учился ориентироваться в окружающем мире и создавать изображения природных объектов. Так появились простейшие картографические рисунки, дававшие изображение местности в плане или перспективе. На них были изображены наиболее важные объекты: пути сообщения (в частности реки), охотничьи угодья, места рыбной ловли.
Пространственные представления и картографические изображения племен были тем совершенней, чем больший путь они прошли. Так, индейцы Северной Америки, кочуя вместе со стадами бизонов, проходили расстояние до 2000 км. У них были свитки карт, нарисованных на бересте и коже. У народностей Сибири и Дальнего Востока были карты, начерченные на коре деревьев, поразительно точно изображавшие местность.
Жители лесов и степей по-разному ориентировались на местности. Первые определяли свое местоположение по природным объектам – рекам, горам. Степняки, ввиду отсутствия таких природных ориентиров, выработали систему ориентирования по сторонам света. Поэтому лесные племена при составлении карт брали за основу реки, горы, тропы, а степные жители – направления и расстояния пути. Именно в степи появились представления о сторонах света и господствующих на их просторах ветрах.
Кочевники сперва знали лишь два слова для обозначения сторон света: «вперед» и «назад».
Прибрежные племена, занимавшиеся морским рыболовством, использовали для ориентирования очертания побережья и направление между отдельными пунктами. Например, эскимосы Гренландии и Аляски, охотясь на морского зверя среди островов и побережий с изрезанной береговой линией, научились прекрасно в них ориентироваться. Они отображали рельеф при помощи резьбы на дереве или моделировали его из подручного материала – песка и камня.
Уникальными в истории картографии являются карты, распространенные на Маршалловых островах Тихого океана. Из-за малой высоты Маршалловы острова не могли служить надежным ориентиром. Поэтому для создания карт туземцы архипелага использовали выявленные многими поколениями закономерности взаимодействия морской зыби, создаваемой господствующими северо-восточными ветрами с побережьями этих островов.
Карты аборигенов Маршалловых островов имели каркас из черенков пальмовых листьев. Положение черенков указывало фронт морской зыби, поднимавшейся господствующими ветрами. Другая система черенков обозначала расстояния, на которых острова становились видимыми. Острова на этих картах обозначались раковинами, крепившимися к каркасу.
Для того чтобы совершить переход от одного острова к другому, аборигены располагали карту на палубе лодки так, чтобы угол между курсом судна и видимым фронтом волн был постоянным. Нужный угол определялся по карте.
Способ изготовления этих карт передавался от отца к сыну и держался в секрете.
На ранних этапах развития человеческого общества карты были практическими пособиями в труде, указателями кочевых путей, мест охоты и рыбной ловли, способом ориентирования. Они ограничивались небольшими территориями и были предельно конкретны.
При составлении карты древний картограф обязательно помещал в центре свое жилище.
С переходом к оседлой жизни и земледелию потребовалось умение составлять план земельного участка. Карты этого периода посвящены земельным ресурсам и их использованию. Здесь приоритет принадлежит египтянам. Среди древнеегипетских карт есть планы угодий и планы различных строений, рудников, схемы ирригационных систем.
В Древнем Египте и Греции появились два направления в картографии. Первое представляли египетские землемеры – геометры, занимавшиеся съемками небольших участков земли и планированием сооружений. Представители другого направления изучали природу и форму Земли в целом, решали задачи, связанные с изображением выпуклой земной поверхности на плоскости.
География Древней Греции состояла из страноведения и космографии. Развитие первого направления было связано с развитием торговли и мореплавания. Второе направление выразилось в выдвижении различных естественно-научных теорий о происхождении и строении мира.
Одной из первых моделей Земли, предложенных греками, был круглый диск, слегка выпуклый посередине, омываемый бурно текущими водами реки – Океана. Среднюю часть диска занимали территории, населенные эллинами. В центре – гора Олимп, обитель богов. Над дискообразной Землей с рекой – Океаном – опрокинут неподвижный небесный свод, радиус которого равен радиусу Земли. В некоторых вариантах этой модели свод опирался на колонны, иногда его поддерживал титан Атлант.
По модели, предложенной Анаксимандром, Земля имеет форму отрезка круглой колонны, высота которой в три раза меньше ее диаметра. На верхней плоскости живут люди. Сама колонна находится в центре мироздания и ни на что не опирается. Демокрит во время своих путешествий обнаружил, что Земля продолговата и ее длина в полтора раза больше ширины.
Гипотезу о шарообразности Земли приписывают Пифагору. Ученый Евдокс сделал попытку доказать эту гипотезу научным путем: круглая тень на Луне во время ее затмения, расширение горизонта при подъеме в гору и т. п.
Считают, что именно Евдокс первым использовал гномон для определения широты места. Он высказал догадку, что если Земля шарообразна, то расстояние пунктов от экватора можно определить, используя соотношение продолжительности летнего и зимнего дней в дни солнцестояния.
Фалес Милетский предложил для построения карты звездного неба первую картографическую проекцию – гномоническую.
Пифей определял широту места с помощью гномона в день летнего солнцестояния. Считают, что он установил наличие беззвездной точки Северного полюса, образующую с тремя соседними звездами почти правильный четырехугольник.
Александрийский ученый Эратосфен из Кирены обобщил накопленные данные о поверхности земного шара. Ему приписывается введение самого термина «география». Он определил размер Земли с точностью, превзойденной лишь в конце XVIII в. Весь обитаемый мир Эратосфен разделил на 7 параллелей, или климатов. Перпендикулярно параллелям он провел 9 меридианов. Сетка параллелей и меридианов позволила ему вычертить карту земли обитаемой – Ойкумены.
Эратосфен предположил, что Ойкумена – известная грекам часть обитаемой суши – это небольшой остров среди обширного океана. Из этого он сделал вывод, что кроме этой Ойкумены должны существовать и другие обитаемые земли. Эратосфен выдвинул гипотезу о четырех массивах суши, отделенных друг от друга океанами и симметрично расположенных по обе стороны «жаркого необитаемого пояса» (экватора). Страбон приписывает эту гипотезу смотрителю Пергамской библиотеки Кратесу Малосскому. Тот изготовил большой глобус, на него нанес маршрут плавания героев «Одиссеи» и изобразил эти четыре массива суши.
Сфера Кратеса стала моделью символа царской власти – державы, шара, разделенного на четыре части и увенчанного крестом. Держава была символом власти и византийских императоров, и русских царей.
Считается, что ученые античности применяли ряд проекций для изображения поверхности шара на плоскости. Так, Страбон предложил принцип цилиндрической проекции. Древние астрономы использовали стереографическую, ортографическую и другие проекции для построения карт звездного неба.
У каждого народа на разных этапах развития были свои особые карты.
Одним из основных занятий первобытного человека было собирательство злаков, заставлявшее его постоянно перемещаться. Человек учился ориентироваться в окружающем мире и создавать изображения природных объектов. Так появились простейшие картографические рисунки, дававшие изображение местности в плане или перспективе. На них были изображены наиболее важные объекты: пути сообщения (в частности реки), охотничьи угодья, места рыбной ловли.
Пространственные представления и картографические изображения племен были тем совершенней, чем больший путь они прошли. Так, индейцы Северной Америки, кочуя вместе со стадами бизонов, проходили расстояние до 2000 км. У них были свитки карт, нарисованных на бересте и коже. У народностей Сибири и Дальнего Востока были карты, начерченные на коре деревьев, поразительно точно изображавшие местность.
Жители лесов и степей по-разному ориентировались на местности. Первые определяли свое местоположение по природным объектам – рекам, горам. Степняки, ввиду отсутствия таких природных ориентиров, выработали систему ориентирования по сторонам света. Поэтому лесные племена при составлении карт брали за основу реки, горы, тропы, а степные жители – направления и расстояния пути. Именно в степи появились представления о сторонах света и господствующих на их просторах ветрах.
Кочевники сперва знали лишь два слова для обозначения сторон света: «вперед» и «назад».
Прибрежные племена, занимавшиеся морским рыболовством, использовали для ориентирования очертания побережья и направление между отдельными пунктами. Например, эскимосы Гренландии и Аляски, охотясь на морского зверя среди островов и побережий с изрезанной береговой линией, научились прекрасно в них ориентироваться. Они отображали рельеф при помощи резьбы на дереве или моделировали его из подручного материала – песка и камня.
Уникальными в истории картографии являются карты, распространенные на Маршалловых островах Тихого океана. Из-за малой высоты Маршалловы острова не могли служить надежным ориентиром. Поэтому для создания карт туземцы архипелага использовали выявленные многими поколениями закономерности взаимодействия морской зыби, создаваемой господствующими северо-восточными ветрами с побережьями этих островов.
Карты аборигенов Маршалловых островов имели каркас из черенков пальмовых листьев. Положение черенков указывало фронт морской зыби, поднимавшейся господствующими ветрами. Другая система черенков обозначала расстояния, на которых острова становились видимыми. Острова на этих картах обозначались раковинами, крепившимися к каркасу.
Для того чтобы совершить переход от одного острова к другому, аборигены располагали карту на палубе лодки так, чтобы угол между курсом судна и видимым фронтом волн был постоянным. Нужный угол определялся по карте.
Способ изготовления этих карт передавался от отца к сыну и держался в секрете.
На ранних этапах развития человеческого общества карты были практическими пособиями в труде, указателями кочевых путей, мест охоты и рыбной ловли, способом ориентирования. Они ограничивались небольшими территориями и были предельно конкретны.
При составлении карты древний картограф обязательно помещал в центре свое жилище.
С переходом к оседлой жизни и земледелию потребовалось умение составлять план земельного участка. Карты этого периода посвящены земельным ресурсам и их использованию. Здесь приоритет принадлежит египтянам. Среди древнеегипетских карт есть планы угодий и планы различных строений, рудников, схемы ирригационных систем.
В Древнем Египте и Греции появились два направления в картографии. Первое представляли египетские землемеры – геометры, занимавшиеся съемками небольших участков земли и планированием сооружений. Представители другого направления изучали природу и форму Земли в целом, решали задачи, связанные с изображением выпуклой земной поверхности на плоскости.
География Древней Греции состояла из страноведения и космографии. Развитие первого направления было связано с развитием торговли и мореплавания. Второе направление выразилось в выдвижении различных естественно-научных теорий о происхождении и строении мира.
Одной из первых моделей Земли, предложенных греками, был круглый диск, слегка выпуклый посередине, омываемый бурно текущими водами реки – Океана. Среднюю часть диска занимали территории, населенные эллинами. В центре – гора Олимп, обитель богов. Над дискообразной Землей с рекой – Океаном – опрокинут неподвижный небесный свод, радиус которого равен радиусу Земли. В некоторых вариантах этой модели свод опирался на колонны, иногда его поддерживал титан Атлант.
По модели, предложенной Анаксимандром, Земля имеет форму отрезка круглой колонны, высота которой в три раза меньше ее диаметра. На верхней плоскости живут люди. Сама колонна находится в центре мироздания и ни на что не опирается. Демокрит во время своих путешествий обнаружил, что Земля продолговата и ее длина в полтора раза больше ширины.
Гипотезу о шарообразности Земли приписывают Пифагору. Ученый Евдокс сделал попытку доказать эту гипотезу научным путем: круглая тень на Луне во время ее затмения, расширение горизонта при подъеме в гору и т. п.
Считают, что именно Евдокс первым использовал гномон для определения широты места. Он высказал догадку, что если Земля шарообразна, то расстояние пунктов от экватора можно определить, используя соотношение продолжительности летнего и зимнего дней в дни солнцестояния.
Фалес Милетский предложил для построения карты звездного неба первую картографическую проекцию – гномоническую.
Пифей определял широту места с помощью гномона в день летнего солнцестояния. Считают, что он установил наличие беззвездной точки Северного полюса, образующую с тремя соседними звездами почти правильный четырехугольник.
Александрийский ученый Эратосфен из Кирены обобщил накопленные данные о поверхности земного шара. Ему приписывается введение самого термина «география». Он определил размер Земли с точностью, превзойденной лишь в конце XVIII в. Весь обитаемый мир Эратосфен разделил на 7 параллелей, или климатов. Перпендикулярно параллелям он провел 9 меридианов. Сетка параллелей и меридианов позволила ему вычертить карту земли обитаемой – Ойкумены.
Эратосфен предположил, что Ойкумена – известная грекам часть обитаемой суши – это небольшой остров среди обширного океана. Из этого он сделал вывод, что кроме этой Ойкумены должны существовать и другие обитаемые земли. Эратосфен выдвинул гипотезу о четырех массивах суши, отделенных друг от друга океанами и симметрично расположенных по обе стороны «жаркого необитаемого пояса» (экватора). Страбон приписывает эту гипотезу смотрителю Пергамской библиотеки Кратесу Малосскому. Тот изготовил большой глобус, на него нанес маршрут плавания героев «Одиссеи» и изобразил эти четыре массива суши.
Сфера Кратеса стала моделью символа царской власти – державы, шара, разделенного на четыре части и увенчанного крестом. Держава была символом власти и византийских императоров, и русских царей.
Считается, что ученые античности применяли ряд проекций для изображения поверхности шара на плоскости. Так, Страбон предложил принцип цилиндрической проекции. Древние астрономы использовали стереографическую, ортографическую и другие проекции для построения карт звездного неба.