100 знаменитых изобретений

Владислав Пристинский, 2006

Вся история человечества – это непрерывная цепь изобретений. И из этой цепи нельзя вынуть ни одного звена – иначе она вся разрушится. . В этой книге рассказывается о ста знаменитых изобретениях цивилизации – тех, без которых на планете Земля не было бы жизни. Так что цепь изобретений, о которой упоминалось, не прерывается, и не прервется никогда – она будет лишь удлиняться.

Автомобиль

Первым практически действовавшим паровым автомобилем считается «паровая телега» француза Никола-Жозефа Кюньо. Он хотел создать мощную тяговую силу для артиллерийских орудий и перевозки снарядов.

Телегу изготовили в 1769 г. в мастерских парижского арсенала. Она весила целую тонну, столько же пришлось на воду и топливо, еще столько же на долю самой паровой машины.

Платформа для грузов крепилась к дубовой раме телеги. Рама опиралась на заднюю ось с колесами артиллерийского типа. С управлением телегой еле справлялись два человека. Перевозя до 3 т груза, телега передвигалась со скоростью пешехода — 2–4 км/ч.

Кюньо обратился к «экипажной» практике: лошадь находится впереди экипажа и тянет его за переднюю ось, значит, и машину следует поставить вперед и осуществить передачу на переднее колесо. Но тут возникла трудность: шток паровой машины перемещается в плоскости, параллельной плоскости колеса. Если закрепить двигатель на платформе телеги, то ось колеса нельзя будет поворачивать. И Кюньо смонтировал всю паровую машину на колесе, тогда машина стала отклоняться на вилке влево или вправо вместе с колесом.

Две лошадиные силы, которые развивала машина, давались нелегко. Несмотря на большой объем котла, давление пара быстро падало. Чтобы поддерживать давление, через каждые четверть часа приходилось останавливаться и разжигать топку. Эта процедура отнимала столько же времени, сколько длилась поездка.

Однажды, совершая испытательную поездку, Кюньо и кочегар не справились с управлением. Телега сделала слишком крутой поворот — котел упал и взорвался. Кюньо построил еще одну телегу, но она, как и первая, не нашла практического применения.

В начале XIX в. мощность экипажных паровых машин увеличилась в 8–10 раз по сравнению с машиной Кюньо, уменьшились их размеры и расход топлива. Машину располагали, как правило, сзади повозки. Шток, передающий движение поршня храповику на оси колес, заменили качающимся шатуном. Сложился так называемый кривошипный механизм, впоследствии почти полностью перешедший на автомобильный двигатель.

Четыре «паровика» Голдсуорси Гэрнея совершали регулярные рейсы и наездили в 1831 году 6 тыс. км. Более успешно организовал движение паровых дилижансов Уолтер Хэнкок. Правда, рейс длиной в 120 км длился около 12 ч, из которых ходовых было только 7–8 ч. Остальное время уходило на заправку водой. Потом догадались прицепить к дилижансу тендер с водой и коксом. Хэнкок использовал высокое давление пара в котле и применил цепную передачу от коленчатого вала машины к колесам. Девять 15-местных повозок Хэнкока совершили около 700 рейсов и наездили 7 тыс. км со скоростью до 30 км/ч.

На какое-то время паровые автомобили возродились во Франции. Их двигатели уже были оснащены керосиновыми горелками вместо угольных топок, запас воды мог быть уменьшен, змеевик быстро разогревался, непрерывно образовывалось необходимое для работы машины количество пара. На паровых повозках начали применять эластичные шины, рулевую «трапецию», механизм для вращения колес одной оси с различными оборотами — дифференциал, цепной и даже карданный привод от паровой машины к ведущим колесам.

Изобретателями автомобиля признаны Готлиб Даймлер и Карл Бенц. Работали они в одно и то же время в соседних германских городах Маннгейме и Бад-Канштатте (пригород Штутгарта). Оба построили действующие самодвижущиеся повозки в 1885 году и должным образом оформили патенты. Бенц — на «Экипаж с газовым двигателем», Даймлер — на «одноколейный» экипаж, а в 1886 году и на четырехколесный.

При жизни они так никогда и не встретились, хотя созданным ими автомобильным фирмам суждено было в 20-е годы XX в. слиться в известную ныне всем компанию «Даймлер — Бенц».

У двухместной машины Бенца были велосипедные колеса, а кузов с установленным на трубчатую раму диванчиком напоминал пролеточный. В течение 7 лет Бенц строил моторные повозки трехколесными. Эта схема, казавшаяся простой, и ранее привлекала конструкторов по соображениям облегчения управления машиной. Первая машина Даймлера была и вовсе двухколесной, представляла собой «моторный велосипед». Даймлер и его последователи строили четырехколесные 4–6-местные автомобили с экипажным кузовом, колесами и тормозами. А последователи Бенца чаще всего (до начала XX в.) — трехколесные, 2–3-местные, с проволочными спицами колес, легкой трубчатой рамой, велосипедным рулем. От первых произошел собственно автомобиль, от вторых — то, что на грани веков называли «вуатюреткой», т. е. колясочкой, автомобильчиком.

«Безлошадные экипажи» Бенца и Даймлера не нашли спроса на родине. Горожан пугали хлопки от взрывов паров бензина в двигателе. Даймлеру пришлось испытывать повозки по ночам на загородных дорогах. Бенцу вменили в обязанность перед каждой поездкой сообщать в полицию маршрут и места остановок, для того чтобы можно было привести в готовность пожарные команды.

Изобретатели продали свои патенты во Францию, благодаря чему та долгое время была ведущей автомобильной державой. Автомобили, построенные по патентам Бенца и Даймлера или снабженные их двигателями, появились на рынке как изделия французских фабрикантов.

Вплоть до начала XX в. автомобиль рассматривали исключительно как занятную механическую игрушку, спортивный снаряд, экипаж для прогулок или торжественных выездов. В США до Первой мировой войны в официальных документах фигурировал термин «плежер-кар» (т. е. «повозка для удовольствия»), обозначавший «легковой автомобиль». Его техническая характеристика соответствовала требованиям, обычным для конного экипажа. Журнал «Мотор-Эйдж» (США, 1900) в статье «Что такое превосходный автомобиль» писал:

«Это красивый стильный экипаж, который может быть пущен в ход мгновенно и без предшествующих продолжительных и трудоемких приготовлений, может быть мгновенно же остановлен, может двигаться с любой скоростью вплоть до 25 миль в час, полностью контролироваться любым лицом без специального образования, двигаться по неровным улицам и дорогам, преодолевать крутые подъемы, словом, выполнять все, что выполняет лошадь или упряжка лошадей с экипажем, и выполнять это более удовлетворительно, с меньшими затратами, и в то же время не иметь дефектов, присущих лошади, и новых собственных дефектов».

При всей, с нынешней точки зрения, скромности этой характеристики она была для своего времени именно «превосходной»: ни один тогдашний автомобиль не мог ей соответствовать. Любые, даже совсем короткие, поездки на автомобиле становились событием, в особенности, если они завершались благополучно. Начинались они с длинной процедуры запуска двигателя.

Сначала автомобилист открывал каретный сарай, где хранилась «коляска» — высокая, на больших деревянных колесах, на сплошных твердых резиновых шинах-бандажах, с пролеточным кузовом. Вооружившись заводской инструкцией, автомобилист приступал к пуску двигателя. Он «устанавливал коляску по возможности горизонтально», потом соединял глушитель и выпускную трубу шлангом и наполнял бак горючим, так как на ночь топливо сливали во избежание подтекания. Затем вставлял провод зажигания в розетку, открывал кран подачи топлива, нажимал иглу карбюратора, чтобы топливо не переливалось. Закончив подготовительные операции, автомобилист прокручивал торчащую спереди, сзади или сбоку рукоятку «примерно пять раз», приоткрывал карбюратор, а затем декомпрессионный краник для устранения сжатия в цилиндре — оно затруднило бы заводку. Еще несколько оборотов рукоятки до появления вспышки в цилиндре двигателя. Тут автомобилист снова манипулирует с краниками. Если двигатель работал с перебоями, следовало отрегулировать винтом подачу горючей смеси, а если двигатель не заводился, то приходилось вывертывать свечу зажигания, промывать и просушивать ее, а из карбюратора сливать накопившееся за время тщетных попыток топливо. После того как двигатель заработал, можно было ехать.

Управление первыми автомобилями отдаленно напоминало управление современным автомобилем, но требовало значительно больших усилий, чем теперь. Кроме привычных ныне рычагов и педалей, существовали ручки на рулевой колонке для управления подачей топлива и установкой зажигания да еще насос для подкачки топлива в карбюратор. Из-за малой мощности двигателя пассажиры вынуждены были на трудных участках дороги выходить из машины, чтобы облегчить ее, и идти с ней рядом, а то и подталкивать.

Тогда более перспективными считались электрические и паровые автомобили. В США, например, в 1899 году только 22 % всех выпущенных механических экипажей составляли «бензиномобили», 38 % — электромобили и 40 % — «паромобили». Но уже к 1905 году положение изменилось: 70 % автомобилей с двигателем внутреннего сгорания и по 15 % электрических и паровых, в 1910 году доля двух последних видов не превышала 1 %, а в 20-х их стало ничтожно мало.

Не оказали влияния на этот процесс и такие сенсации, как мировые рекорды скорости, установленные в 1898 году на электромобиле (105 км/ч, гонщик Женатци), в 1902 и 1906 годах на паровых автомобилях (120 и даже 204 км/ч, гонщики Серполле и Стенли).

Увеличить мощность двигателя и тем самым скорость автомобиля было не так-то легко. Увеличение диаметра цилиндра приводило к возрастанию сил, действующих на его стенки и на детали кривошипного механизма. Если увеличить длину хода поршня, то цилиндр трудно разместить на автомобиле из-за роста размеров кривошипа. В обоих случаях двигатель становится тяжелее. Эти обстоятельства привели конструкторов к мысли — умножить число цилиндров. Даймлер уже свои самые ранние двигатели делал двухцилиндровыми (V-образными), а в 1891 году построил первый четырехцилиндровый.

Увеличение числа цилиндров не только позволяло делать двигатель компактным при росте его мощности, но и обеспечивало плавность хода. В четырехцилиндровом двигателе каждый рабочий ход приходится на пол-оборота коленчатого вала, тогда как у одноцилиндрового двигателя — на два оборота.

Хотя автомобильный двигатель в отличие от стационарного можно было охлаждать потоком встречного воздуха, конструкторы скоро пришли к выводу об эффективности водяного охлаждения. Оно прошло ряд стадий развития, пока не распространились змеевиковые радиаторы, иногда опоясывавшие весь капот двигателя. На «мерседесе» (1901 г.) впервые применен знакомый ныне трубчатый или сотовый радиатор с большой поверхностью охлаждения, изменивший облик автомобиля.

Для автомобиля пришлось создать новые механизмы — привод рулевого управления и устройство для изменения на ходу усилия, передаваемого от двигателя к колесам. Примером для рулевого привода послужил судовой румпель — поводок или маховичок-штурвал, передвигавший вправо-влево тягу рулевой трапеции.

До конца XIX в. для автомобиля была типичной компоновка с двигателем сзади (под сиденьем) и с ременным приводом от него на поперечный вал, далее — цепной привод на задние колеса.

С ростом скорости увеличились мощность, размеры и масса двигателя. Возникли новые сложности. Становилось все труднее размещать двигатель под сиденьями. К тому же он требовал хорошего охлаждения. Приводные ремни не выдерживали передаваемых усилий, проскальзывали на шкивах.

Эмиль Левассор, главный конструктор французской фирмы «Панар — Левассор», предложил новую компоновку автомобиля: двигатель и радиатор охлаждения расположены спереди; усилие передается через механизм сцепления и коробку передач на промежуточный поперечный вал, а от него — цепями на задние колеса. Сцепление состоит из двух конических дисков, которые можно сблизить, ввести в зацепление во время движения автомобиля или отдалить при перемене передач и на стоянках. В коробке передач находятся два вала с набором шестерен различных диаметров на каждом (вместо набора ременных передач). Вводя в зацепление ту или иную пару шестерен, можно изменять частоту вращения вторичного вала и величину передаваемого колесам усилия.

Если сравнить компоновку автомобилей XX в. с компоновкой автомобиля Левассора, то они ненамного отличались. В 1898 г. французский конструктор Луи Рено заменил цепной привод карданным валом, два вала в коробке передач — тремя.

Развитие автомобиля вело к усложнению его конструкции: увеличение скорости требовало прожекторов, закрытые кузова — внутреннего освещения, пуск двигателя — особого электромотора. На автомобиле появился энергоемкий и надежный аккумулятор. Это позволило устранить сложное и тяжелое магнето, вернуться к простой и безотказной батарейной системе зажигания.

Пуск двигателя имел не меньшее значение, чем зажигание. Вращая рукоятку, нужно было преодолевать давление в цилиндрах двигателя. Обратные удары рукоятки приводили к травмам рук водителей. Конструкторы стремились заменить рукоятку более удобным устройством. Простым и надежным оказался электромотор с шестеренкой, зацепляемой в нужный момент с зубчатым венцом на маховике двигателя. Маховик начинал вращаться и запускал двигатель. Такой стартер изобрел американский конструктор Ч. Кеттеринг.

Рядом с двигателем размещали механизм сцепления. В маховике двигателя вытачивали коническую поверхность, а на первичный вал коробки передач надевали передвижной конус, покрытый кожей. Конус прижимала к маховику пружина, соединяя двигатель с коробкой передач. Чтобы выключить сцепление, нужно было нажимом на педаль преодолеть сопротивление пружины и оттянуть конус от маховика.

На смену конусному пришло дисковое сцепление. В дисковом сцеплении, нажимая на педаль, водитель отводит диск от маховика, отпуская педаль — предоставляет пружине прижимать диск. Первые такие сцепления состояли из многих дисков. Постепенно число дисков свели к одному-двум и снабдили накладками из специального, не требующего смазки, долговечного материала.

В коробках передач начала XX в. предусматривались три передачи для движения вперед и одна для заднего хода. Переключение передач требовало большой ловкости, редко проходило без угрожающего скрежета шестерен, а то и поломок их зубьев, визжали шестерни и во время движения автомобиля. Поэтому конструкторы упорно работали над совершенствованием коробки передач.

Система торможения отставала в развитии от других систем и механизмов автомобиля. Долго использовали экипажные тормоза-башмаки, прижимавшиеся к шинам. Потом добавили трансмиссионный тормоз с горизонтальной педалью рояльного типа. Она стягивала ленту, охватывавшую барабан на выходном валу коробки передач. Дополнили трансмиссионный тормоз барабанами, установленными на задних колесах, но опять-таки с ленточными тормозами, действовавшими более или менее эффективно только при движении автомобиля вперед. Лишь на отдельных машинах устанавливали на задних колесах тормоза с колодками, наподобие нынешних.

Долгое время на автомобилях устанавливалась подвеска, состоящая из листовых рессор, как на каретных экипажах. Она не устраняла тряску автомобиля на большой скорости и неровных дорогах того времени. Из множества вариантов были выбраны два: продольные и поперечные полуэллиптические рессоры. В дополнение к ним применяли фрикционные амортизаторы. Трение в их шарнирах гасило качку рамы и кузова после наезда на ухаб.

Шина на колесо автомобиля была надета в конце XIX в. братьями Мишлен. Она должна была сохранять давление воздуха и защищать камеру от проколов подковными гвоздями, в изобилии рассыпанными по дорогам. В начале XX в. самые лучшие шины, сделанные на заказ для гонок, приходилось менять десятки раз на пробеге в 200–300 км. Важно было облегчить смену шин. Вначале они не были легкосъемными, и автомобилист после замены должен был накачать шину до давления 5–6 атмосфер. Позже кольцо из резинового рукава превратили во внутреннюю камеру шины, окружив ее защитной резиновой покрышкой на парусиновой основе.

На рубеже XIX–XX вв. стали популярными автомобильные гонки. Участие в них позволяло владельцам автомобильных фирм рассчитывать на большой денежный приз, хорошую рекламу своих автомобилей, а также проверить механизмы при максимальных нагрузках. Это привело к созданию мощных гоночных автомобилей. Большинство автомобилей были сложными и очень дорогими.

Так продолжалось до тех пор, пока американец Генри Форд не начал выпускать свою знаменитую модель «форд-Т». В 1899 г. молодой Форд основал Детройтскую автомобильную компанию. В интересах бизнеса он решил выпускать дешевую массовую машину. Замысел Форда заключался в разделении работы по изготовлению автомобиля на множество операций, каждая из которых поручалась 1–2 рабочим, освобожденным от выполнения вспомогательных операций. Изготовляемые детали и собираемые механизмы двигались мимо рабочих на цепях, рольгангах, лентах. Массовое производство позволило снизить цену на автомобиль.

«Форд-Т» имел все необходимое для безопасного движения, на нем не было излишеств. Простота устройства, а также прочные материалы позволили снизить массу автомобиля до 550 кг. Двигатель мощностью 20 л. с. разгонял машину до скорости в 70 км/ч.

Цилиндры двигателя «форда-Т» были отлиты в одном блоке. Топливо подавалось самотеком из бака под сиденьем, поэтому на крутых подъемах горючее не поступало к карбюратору. В коробке было только две передачи. В машине отсутствовал аккумулятор, фары работали от магнето системы зажигания и при работе на малых оборотах светили слабо. Но, несмотря на эти и другие недостатки, машина удовлетворяла небогатых автомобилистов.

Уже в конце XIX в. произошло разделение автомобилей на легковые, грузовые и автобусы. Первая попытка наладить в Германии автобусное сообщение вместо омнибусного потерпела крах: на мокрых и заснеженных мостовых машины скользили на железных или сплошных резиновых ободьях. Автомобильные омнибусы возродились в 1904–1905 годах. Двигатель располагался под салоном автобуса, что позволило сократить его длину. В целях экономии площади автобусы делали двухъярусными. К 1914 г. число автобусов в одном только Лондоне достигло 2000.

Широкое производство грузовиков началось тогда, когда автомобиль стал более надежным. Сначала на шасси легкового автомобиля вместо задней части кузова устанавливались ящики. Это значительно снижало скорость и экономичность грузового фургона. С появлением в начале XX века автомобилей большей грузоподъемности облик грузовиков изменился. Они приобрели большую площадь кузова, массивную ходовую часть, двойные скаты задних колес. Однако работа водителя требовала больших физических усилий.

Долгое время на грузовых автомобилях сохранялась цепная передача. Это было связано с необходимостью большого передаточного числа. Позже стали применять двойную передачу и колесные редукторы.

В 1896 г. легковому автомобилю нашлось еще одно применение: в Париже появились моторизованные повозки — фиакры. С повозок сняли оглобли, установили бензиновый двигатель, а возле сиденья кучера поставили рулевую колонку и рычаги управления. В 1905 г. был изобретен счетчик оплаты, или таксометр, давший название таксомоторам, или сокращенно такси.

К 1914 г. количество автомобилей на земном шаре достигло 2 000 000.

В Первую мировую войну автомобили, благодаря своей подвижности, высокой скорости, грузоподъемности, сыграли большую роль. Они применялись для доставки военных грузов, переброски войск. В военных целях применялись даже парижские такси: в 1914 г. они перевезли целую бригаду на опасный участок фронта.

После Первой мировой войны начался расцвет автомобилестроения. Автомобиль доказал свою пригодность для личных поездок, крупных перевозок людей и грузов. На автомобильных заводах стал широко применяться поточный метод производства военных автомобилей. Конверсия военного производства привела к переходу многих заводов на выпуск автомобилей. На конструкции автомобилей, особенно дорогих, оказала влияние авиация. Их двигатели были авиационными, детали выполняли из легких сплавов, кузова имели «самолетные очертания», они отделывались алюминием и древесным шпоном.

Автомобили приобрели удлиненный силуэт, в салон можно было входить, не сгибаясь. Ход был плавный и бесшумный, сиденья удобные. На автомобилях стали устанавливать электрический стартер, указатели поворота, стеклоочистители, усилители тормозов, автоматические трансмиссии.

Наряду с фешенебельными машинами, которые выпускали ныне забытые фирмы, такие как «Испано — Сюиза» и «Бугатти», небольшие фирмы наладили производство 2–3-местных дешевых автомобилей. На них устанавливались мотоциклетные двигатели, ременной или цепной привод, фанерные или брезентовые кузова. Такие автомобили выпускали во Франции «Ситроен» и «Пежо», в Германии «Опель» и «БМВ», в Италии ФИАТ. Простым и дешевым автомобилям сопутствовал успех.

В начале 1920-х годов немцы П. Ярай и Э. Румплер провели испытания моделей автомобилей в аэродинамической трубе. Это привело к появлению автомобильных кузовов обтекаемой формы, распространенных в 30-е годы прошлого века.

Немецкая фирма ДКВ первой наладила выпуск переднеприводных автомобилей. Двигатель был установлен поперек оси машины, что улучшило сцепление передних колес с дорогой, сделало капот и весь автомобиль более коротким. Двигатель был двухтактный.

В 30-е годы прошлого века бурно развивалось строительство грузовиков и автобусов. Условия работы водителей этих машин улучшилось, благодаря применению пневматических шин, закрытых кабин и электрического освещения.

На большегрузных автомобилях и автобусах стали устанавливать дизельные двигатели. Кабины грузовиков сместились вперед, что позволило рационально использовать длину машины. В то время появились городские автобусы вагонного типа. В них двигатель устанавливался рядом с сиденьем водителя под кузовом или сзади. Это позволило разместить пассажирский салон практически по всей длине машины.

В 30–40-е годы XX века окончательно сложились основные узлы автомобилей, их компоновка. Они сохранились и до наших дней. Несмотря на применение новых материалов и внедрение компьютеров в управление автомобилей, суть их осталась неизменной и в начале XXI века.