С самого начала своего существования потребности человечества не ограничивались питанием и получением других продуктов животного и растительного происхождения. Одной из главных потребностей человека всегда было передвижение, причём человек хотел перемещаться на возможно большие расстояния и с возможно большей скоростью.

Рис. 216. Древние повозки

Этого требовали непрерывно происходившие войны, торговля и вообще человеческое любопытство. Для того чтобы достигнуть прогресса в этом направлении, требовалось решить две проблемы: во-первых, найти источник энергии, т. е. устройство, способное превращать потенциальную энергию в кинетическую, а во-вторых, по возможности уменьшить сопротивление среды для того, чтобы затрачивать как можно меньше этой энергии.

Решение обеих проблем началось в глубокой древности. В ходе неолитической революции человек стал использовать для получения кинетической энергии не только свои мышцы, но и мышцы верховых или вьючных животных. Вторая проблема тоже имеет долгую историю. Вначале, примерно в период той же неолитической революции, люди стали подкладывать под передвигаемые предметы деревянные катки, что позволило значительно уменьшить силу трения. Но прошло ещё около 10 тыс. лет, пока в Индии и Месопотамии не появились колёсные повозки (рис. 216). Езда на колёсах позволила передвигаться значительно быстрее, однако колёса часто застревали между камнями, углублениями в почве и корнями деревьев. Поэтому для более эффективной езды догадались прокладывать дороги. Наиболее древние из известных нам дорог относятся к IV тыс. до н. э. Покрытие их было сделано из дерева, но вскоре дороги стали мостить каменными плитами. В начале V в. до н. э. в Персидской империи была построена царская дорога длиной 2600 км. На ней были установлены дорожные столбы с указанием расстояний, станции с гостиницами, конюшнями для смены лошадей, продовольственными складами и гарнизонами. Наиболее развитая сеть дорог существовала в Римской империи, где дороги соединяли все важнейшие административные и торговые центры. Некоторыми римскими дорогами пользуются до сего времени, хотя теперь они уже покрыты асфальтом (рис. 217).

Проблема получения новых видов энергии решалась значительно медленнее. Вплоть до конца XIX в. почти единственным источником энергии для передвижения по суше являлась энергия, запасённая в мышцах человека и животных. При водных путешествиях также часто использовали мышечную энергию, приводившую в движение вёсла, а также энергию ветра (кинетическую энергию молекул воздуха). Первые паруса появились в Египте или Месопотамии около 5–6 тыс. лет назад. С их помощью можно было передвигаться против течения рек без использования вёсел, а также совершать морские путешествия.

Рис. 217. Римские дороги

Моряки тех времён достигли такого совершенства в управлении парусами, что могли заставить корабль двигаться даже против ветра. Но в безветренную погоду паруса были бесполезны, да и скорость, которую можно было развивать с их помощью, со временем показалась недостаточной.

Переворот произошёл в конце XVIII в., когда Джеймс Уатт начал производить паровые двигатели. Вначале их применяли только в промышленности для работы стационарных механизмов, но вскоре возникла идея использовать их для передвижения. Первый в истории пароход был изобретён в 1880-х гг. американцем Джоном Фитчем. Он установил на пароходе паровой двигатель, который приводил в движение вёсла, так что его пароход двигался наподобие галеры. Пароход Фитча так и не был доведён до практического использования, а создателем первого действующего парохода оказался его соотечественник Роберт Фултон (1765–1815). Поначалу работу Фултона сопровождали многочисленные неудачи и общественное недоверие, им пренебрегли Наполеон и британское правительство. В результате Фултон вернулся в Америку, и в 1807 г. построенный им пароход «Клермонт» отправился в свой первый рейс по реке Гудзон (рис. 218). На путь от Нью-Йорка до Олбани протяжённостью 150 миль против течения и при встречном ветре «Клермонт» затратил 32 часа. После введения некоторых улучшений в конструкцию парохода Фултон наладил постоянные пассажирские рейсы на этом речном маршруте.

Приблизительно в то же время возникла идея использовать паровой двигатель для передвижения по суше. Было понятно, что громоздкая машина, движущаяся с довольно большой скоростью, не сможет ехать по обычной дороге, ей необходим рельсовый путь. Такие пути к началу XIX в. уже существовали и работали на конной тяге. Дело было за изобретением паровоза. Попытки его создания неоднократно предпринимались многими инженерами, но самым удачливым оказался англичанин Георг Стефенсон (1781–1848), который в 1812–1829 гг. не только предложил несколько удачных моделей паровозов, но и убедил владельцев шахт построить первую железную дорогу, способную выдержать такой тяжёлый агрегат, как паровоз.

Рис. 218. Колёсный пароход

Вскоре паровоз Стефенсона стал главным локомотивом первой общественной железной дороги, соединившей Манчестер с Ливерпулем.

Первый паровоз в России был построен отцом и сыном Черепановыми в 1833–1834 гг. Он возил поезда с рудой на Нижнетагильском заводе и назывался пароходкой, но дальнейшего распространения не получил. Серийное производство паровозов в России было налажено только в 1870-х гг. Их активно использовали до середины 50-х гг. XX в., после чего производство прекратилось, так как паровозы были вытеснены тепловозами и электровозами (рис. 219).

Паровой двигатель при всех его достоинствах имел серьёзный недостаток – он был слишком массивен. Кроме того, для его работы требовался огромный запас угля, что делало невозможным использование такого двигателя на лёгких и маневренных транспортных средствах. Попытки поставить паровой двигатель на повозку, предпринимавшиеся, в частности, одним из его изобретателей, русским механиком И. И. Ползуновым, успеха не имели – слишком громоздкой получилась конструкция. Для передвижения человека по поверхности земли требовался новый тип двигателя. Он вскоре был изобретён и получил название двигателя внутреннего сгорания.

Первый такой двигатель был сконструирован в 1860 г. Э. Денуаром. В 1876 г. немецкий изобретатель Николаус Отто (1832–1891) построил более совершенный четырёхтактный двигатель, а в 1880-е гг. Огнеслав Степанович Костович (1851–1910) в России сконструировал первый карбюраторный двигатель, который в качестве топлива мог использовать бензин.

Рис. 219. Памятник паровозу в г. Магнитогорске (паровоз «ЗУб84-58» построен на Коломенском заводе в 1929 г.)

Получился новый тип двигателя с большей компактностью и коэффициентом полезного действия.

После изобретения Н. Отто над усовершенствованием двигателей внутреннего сгорания работали многие инженеры. Одним из них был немецкий механик Карл Бенц (1844–1929). Усовершенствовав бензиновый двигатель, он в 1885 г. построил первый автомобиль, представлявший собой двухместный экипаж на трёх высоких колёсах со спицами, на который был поставлен изобретённый Бенцем четырёхтактный бензиновый мотор объёмом 0,9 л. Автомобиль развивал максимальную скорость 16 км/ч и вызывал у соседей не столько восхищение, сколько ужас, пугая страшным рёвом людей и лошадей. Бенц принялся за совершенствование своего автомобиля, но через несколько лет автомобиль угнали. Угонщиками оказались жена и два сына изобретателя, которые умудрились проехать 180 км с приличной скоростью по неровной, но оживлённой дороге. Жители окрестных селений толпами сбегались к дороге, чтобы посмотреть на эту чудесную «безлошадную повозку». Об «автопробеге» узнала вся Германия, автомобиль стал широко обсуждаться в прессе, и реклама сделала своё дело: Бенц был признан изобретателем первого автомобиля, хотя в то время у него было немало конкурентов.

Нельзя сказать, однако, что паровые автомобили легко сдались бензиновым (рис. 220). Они тоже продолжали совершенствоваться и привлекать покупателей. В 1900 г. примерно половина автомобилей США были на паровом ходу.

Рис. 220. Первые автомобили

И только в середине 1930-х гг. они не выдержали конкуренции и сошли со сцены, дав возможность совершенствоваться автомобилям, работающим на бензиновом и дизельном топливе (рис. 221).

Двигатель внутреннего сгорания продолжал своё триумфальное шествие и наконец позволил осуществить вековую мечту человечества – подняться в небо.

1. Какие способы передвижения использовали в древности?

2. Кто был создателем первого паровоза? Сравните паровозы, тепловозы и электровозы. В чём их сходство и в чём принципиальные различия?

3. Какое изобретение было сделано Н. Отто? Какое значение оно имело для развития промышленности и автомобилестроения?

4. При каких способах передвижения в настоящее время используется только энергия мышц?

Рис. 221.Современные автомобили

1. Используя знания, полученные ранее на уроках физики, объясните принцип действия двигателя внутреннего сгорания.

2. Во многих городах нашей страны существуют памятники паровозам и автомобилям. Узнайте, есть ли такие памятники в вашем городе, районе или области. Какова история этих памятников?

3. Узнайте, когда в вашем городе, районе, области была построена железная дорога, проложены автомобильные трассы. Существуют ли в вашем регионе автомобилестроительные заводы, заводы, производящие железнодорожную технику, судостроительные верфи? Подготовьте выставку, посвящённую истории развития транспорта в вашем регионе. В качестве экспонатов могут выступать написанные вами сообщения и взятые интервью, выдержки из старых газет и журналов, чертежи, макеты, модели, фотографии и т. д. Соберите отзывы о выставке и сделайте выводы (групповой проект).