Реферат: Эволюция транспортных средств и коммуникаций
Самое первое самоходное дорожное транспортное средство было военным трактором, которое в 1769 г. изобрел французский инженер и механик Николас Джозеф Кагнот (1725 - 1804). Чтобы привести его в действие, Кагнот использовал паровой двигатель. Трактор был построен по его чертежам в Парижском Арсенале механиком Брезином. Это трехколесное транспортное средство использовалось французской Армией для буксировки артиллерии с огромной скоростью 2,5 мили в час. Он должен был останавливаться каждые десять - пятнадцать минут для создания паровой тяги.
Автомобили приводились в движение паровыми двигателями: сгорая, топливо нагревало воду в котле, создавая пар, который расширялся и выдвигал поршни, которые поворачивали коленчатый вал, который поворачивал колеса. В начальном периоде развития самоходных транспортных средств - и автомобили, и транспортные средства железной дороги развивались на паровых двигателях. (Cugnot также спроектировал два паровых локомотива с паровыми двигателями.)
Паровые двигатели не были единственными двигателями, используемыми в ранних автомобилях. Были также изобретены транспортные средства с электрическими двигателями. Между 1832 и 1839 (точный год неизвестен), Роберт Андерсон из Шотландии изобрел первый электрический вагон. Электрические автомобили использовали перезаряжающиеся батареи, от которых работал маленький электрический двигатель. Транспортные средства были тяжелы, медленны, дороги, и должны были часто останавливаться для перезарядки. И паровые, и электрические автомобильные двигатели перестали развивать (особенно из-за большого утяжеления автомобиля), вместо них начали разрабатывать двигатели, работающие на газе.
Однако, паровые двигатели очень успешно использовались в локомотивах.
Настоящий рывок в развитии транспортных средств произошел с появлением двигателей внутреннего сгорания.
В 1899 году французский инженер Филипп Лебон открыл светильный газ. В 1801 году Лебон взял патент на конструкцию газового двигателя. Принцип действия этой машины основывался на известном свойстве открытого им газа: его смесь с воздухом взрывалась при воспламенении с выделением большого количества теплоты. Продукты горения стремительно расширялись, оказывая сильное давление на окружающую среду. Создав соответствующие условия, можно использовать выделяющуюся энергию в интересах человека. В двигателе Лебона были предусмотрены два компрессора и камера смешения. Один компрессор должен был накачивать в камеру сжатый воздух, а другой - сжатый светильный газ из газогенератора. Газовоздушная смесь поступала потом в рабочий цилиндр, где воспламенялась. Двигатель был двойного действия, то есть попеременно действовавшие рабочие камеры находились по обе стороны поршня. По существу, Лебон вынашивал мысль о двигателе внутреннего сгорания, однако в 1804 году он погиб, не успев воплотить в жизнь свое изобретение.
В последующие годы несколько изобретателей из разных стран пытались создать работоспособный двигатель на светильном газе. Честь создания коммерчески успешного ДВС принадлежит бельгийскому инженеру Жану Этьену Ленуару. Работая на гальваническом заводе, Ленуар пришел к мысли, что топливовоздушную смесь в газовом двигателе можно воспламенять с помощью электрической искры, и решил построить двигатель на основе этой идеи.
В 1864 году было выпущено уже более 300 таких двигателей разной мощности. Немецкий изобретатель Август Отто в том же 1864 году тот получил патент на свою модель газового двигателя. Вскоре была создана фирма "Отто и Компания". Из-за более полного расширения продуктов сгорания КПД этого двигателя был значительно выше, чем КПД двигателя Ленуара и достигал 15%, то есть превосходил КПД самых лучших паровых машин того времени.
Отто упорно работал над усовершенствованием его конструкции. Вскоре зубчатую рейку заменила кривошипно-шатунная передача. Но самое существенное из его изобретений было сделано в 1877 году, когда Отто взял патент на новый двигатель с четырехтактным циклом. Этот цикл по сей день лежит в основе работы большинства газовых и бензиновых двигателей. В следующем году новые двигатели уже были запущены в производство. Однако то обстоятельство, что в качестве топлива использовался светильный газ (получали его на газовых заводах методом сухой перегонки из каменного угля), сильно суживало область применения первых двигателей внутреннего сгорания. Количество светильногазовых заводов было незначительно даже в Европе, а в России их вообще было только два - в Москве и Петербурге.
Поэтому не прекращались поиски нового горючего для двигателя внутреннего сгорания. Некоторые изобретатели пытались применить в качестве газа пары жидкого топлива. Еще в 1872 году американец Брайтон пытался использовать в этом качестве керосин. Однако керосин плохо испарялся, и Брайтон перешел к более легкому нефтепродукту- бензину. Но для того, чтобы двигатель на жидком топливе мог успешно конкурировать с газовым, необходимо было создать специальное устройство для испарения бензина и получения горючей смеси его с воздухом.
Брайтон в том же 1872 году придумал один из первых так называемых "испарительных" карбюраторов, но он действовал неудовлетворительно.
Работоспособный бензиновый двигатель появился только десятью годами позже. Изобретателем его был немецкий инженер Юлиус Даймлер.
Проблема, стоявшая перед Даймлером и Майбахом была не из легких: они решили создать двигатель, который не требовал бы газогенератора, был бы очень легким и компактным, но при этом достаточно мощным, чтобы двигать экипаж. Увеличение мощности Даймлер рассчитывал получить за счет увеличения частоты вращения вала, но для этого необходимо было обеспечить требуемую частоту воспламенения смеси. В 1883 году был создан первый бензиновый двигатель с зажиганием от раскаленной полой трубочки, открытой в цилиндр.
Процесс испарения жидкого топлива в первых бензиновых двигателях заставлял желать лучшего. Поэтому настоящую революцию в двигателестроении произвело изобретение карбюратора. Создателем его считается венгерский инженер Донат Банки. В 1893 году взял патент на карбюратор с жиклером, который был прообразом всех современных карбюраторов. Первые двигатели внутреннего сгорания были одноцилиндровыми, и, для того чтобы увеличить мощность двигателя, обычно увеличивали объем цилиндра. Потом этого стали добиваться увеличением числа цилиндров.
В конце XIX века появились двухцилиндровые двигатели, а с начала XX столетия стали распространяться четырехцилиндровые.
Однако, ДВС очень загрязняют окружающую среду продуктами сгорания топлива. Особенно это актуально в городах, поэтому в мире уже выпускаются серийные электромобили (бюджетный французский электромобиль – QPOD City Elec , электромобиль среднего ценового диапазона из Норвегии – Kewet Buddy, Индийский серийный электромобиль – Reva Classe , китайский американец – электромобиль Zap Xebra, электромобиль из родины "Жигулей" – Ydea Electric, серийный закрытый электромотоцикл – Myers Motors No more Gas (NmG) , Maranello SCE – итальянский тяжелый электроквадроцикл). Идею чистого транспорта отвергают противниками электромобилей, которые не столько многочисленны, сколько влиятельны (мир сидит на "нефтегазовой игле" и эта зависимость уже давно является наркотической...). Уже сейчас ездить на электромобиле не только экологично, но и материально выгодно. Основной довод против электромобиля - малый запас хода на одном заряде аккумуляторной батареи. Этот недостаток с лихвой компенсируется тем фактом, что большинство внутригородских поездок совершаются в цикле "на работу – домой" и, в среднем, перемещения осуществляются на 25-30 км в день, причем перевозится, в среднем, 1,3 человека. Современный электромобиль – это средство для внутригородской коммуникации в средних и малых городах.
В деле вытеснения бензиновых двигателей и дизелей у электромотора есть серьезный конкурент-союзник. Это — разного рода водородные двигатели.
Главные мастера по сжиганию водорода с образованием воды вместо выхлопных газов — два автогиганта. Один европейский — BMW, другой японский — Mazda. Строить автомобили с двигателями внутреннего сгорания на водороде в Мюнхене стали еще в 70-е годы. А уже в 2006 году BMW представила серийный (да еще и люксовый!) автомобиль Hydrogen 7, построенный на базе седана 7 серии. Максимальная скорость экологически чистого BMW составляет 230 км/ч, а до сотни «водородомобиль» разгоняется за 9,5 секунд — неплохо, учитывая габариты и вес машины.
Японская компания Mazda, славящаяся тягой к творческим поискам, еще в 1991 году представила прототип машины с роторным водородным двигателем. На достигнутом японцы не остановились, и 15 лет спустя, после долгих исследований и тщательных испытаний, выпустили Mazda RX-8 Hydrogen REnbsp; с роторной же установкой Ванкеля, КПД которого гораздо выше, чем у обычного поршневого двигателя.
Но надо заметить, что к водородным технологиям человечество присматривается не первый десяток лет: еще в 80-е годы советские авиастроители создали самолет Ту-155 на альтернативном топливе, а инженеры той же фирмы Mazda строили свой ротор полтора десятилетия — и те и другие были отнюдь не одиноки в своих усилиях. В последнее время в новостях все чаще мелькают сообщения о разработках или даже уже об успехах той или иной компании на этом поприще, и это значит, что, наряду с электрической эрой, грядет и водородная. Вполне вероятно, что конец нефтяного века будет отмечен возникновением все более странных и, как теперь принято говорить, «диверсифицированных» сочетаний, казалось бы, несоединимых компонентов в необычных, но все более и более экономичных и экологичных гибридных двигателях.
В середине XIX века для преодоления бездорожья был изобретен, а в начале ХХ века стал все чаще применятся новый движитель-гусеница. В 1879 году русский изобретатель Федор Абрамович Блинов получил патент на созданный им «гусеничный ход». В 1912 году американская фирма «Холт» стала выпускать тракторы на гусеницах и с двигателями внутреннего сгорания. Выпускаются различные виды тракторов не только для сельского хозяйства, но и для промышленности.
ТРОЛЛЕЙБУС (англ. trolleybus, от trolley - контактный провод, роликовый токоприемник и bus - автобус), вид городского безрельсового транспорта. Постоянный ток для питания тяговых двигателей поступает от контактной сети через подвесные (троллейные) провода. Сочетает преимущества трамвая и автобуса. Первый троллейбус создан в 1882 в Германии; в России - в 1933.
ТРОЛЛЕЙВОЗ (от англ. trolley - контактный провод, роликовый токоприемник), грузовой троллейбус. Разновидность троллейвозов - дизель-троллейвоз.
Для движения безрельсовых видов транспорта достаточно любой ровной твёрдой поверхности. При регулярном движении дороги образуются сами собой, тем не менее в большинстве случаев их приходится строить специально и покрывать слоем асфальтобетона или другого подходящего материала. Дороги без твёрдого покрытия сильно пылят в сухую погоду, а во время дождей и особенно весеннего таяния снегов раскисают.
Первым видом дорожного транспорта были лошади и волы, несущие товары по грязным дорожкам, часто совпадавшим с тропами зверей. По мере развития коммерции, пути стали выравнивать и расширять, чтобы они соответствовали возросшей деятельности людей.
С появлением Римской Империи у многочисленных армий возникла необходимость быстрого перемещения из одной области в другую, а существовавшие тогда дороги часто были размытыми, что значительно задерживало передвижение большой массы войск. Для разрешения данной проблемы, римляне построили отличные дороги. Дороги Римской Империи использовали глубокое дорожное полотно из битого камня в качестве нижнего слоя, для того, чтобы дороги были сухие. Благодаря битому камню вода уходила, вместо того, чтобы превратиться в грязь на глиняных почвах. Легионы быстро передвигались по ним, а некоторые из тех дорог до сих пор используются тысячелетие спустя.
На наиболее трудно преодолеваемых маршрутах использовались дополнительные слои, включавшие в себя шестиугольные камни или кирпичи для мощения, уменьшавшие пыль, а также скольжение колёс. Кирпич позволил римским колесницам передвигаться очень быстро, что обеспечивало хорошую связь с римскими провинциями. Сельские дороги часто мостились, прежде всего, в сторону города, для того чтобы продукция была чистой. Для уменьшения ударов, в транспорт на лошадиной тяге были внедрены первые виды пружин и рессор, так как сначала мостовые часто были не идеально выложены.
С началом промышленной революции были разработаны паровые двигатели, но в большинстве своём они были слишком тяжёлыми для обычных дорог и применялись на железных дорогах, где вес воспринимался рельсами, уменьшавшими также сопротивление движению. Следует заметить, что обычная ширина британской рельсовой колеи (1435 мм) такая же, как и колея римских колесниц, так как это был обычный размер колеи повозок с тех пор.
Во времена Индустриальной революции, а также из-за развития вследствие этого коммерции, улучшенное дорожное сообщение стало крайне необходимым. Дождь вместе с грязными дорогами заставил торговлю увязнуть в грязи. Шотландец по имени МакАдам (McAdam) разработал первое современное шоссе. Он создал недорогой материал для дорожного полотна из соединения почвы и камня (также известный как «макадам» («macadam»)). МакАдам также насыпал дорогу на несколько футов выше, чем окружающая местность, чтобы заставить воду стечь с её поверхности (тем самым, он дал рождение термину автострада (от англ. «highway» — высокая дорога)) Когда же его состав покрыли гудроном (от англ. «tar» — смола, гудрон), его стали называть «tarmacadam», или просто «tarmac» — асфальт.