Все о двигателях: кто придумал парус и захватят ли мир электромобили

Все двигатели делятся на первичные, которые преобразуют природную энергию, и вторичные, которые работают на энергии, полученной от природы. Например, электричество получается в результате первичной работы, соответственно, электродвигатель – это вторичный двигатель.

Паровой двигатель – первичный. То есть он получает энергию непосредственно во время сгорания топлива, закипания воды и расширения пара. О разных типах двигателей рассказывает программа "Как устроен мир" с Тимофеем Баженовым на РЕН ТВ.

Первые двигатели в истории

Водяная мельница

В сирийском городе Хама до сих пор работают нории, которым 500 лет. Диаметр самого большого колеса у сирийской нории – 27 метров. Колесо приводится в движение течением реки и поднимает воду наверх.

"Инженер-механик Филон Византийский рассказывает нам, что человек изобрел водяную мельницу. Опять же, может, это изобретение на каком-то очередном витке. Это необязательно самый древний пласт, а мы и не ухватим самый древний пласт в наши датировки. Ну вот, на Ближнем Востоке, в передней Азии появились водяные мельницы. И затем уже распространяются через Южную Европу, по Европе", – уточнил историк, заслуженный учитель Российской Федерации, кандидат психологических наук Александр Снегуров.

При помощи такого нехитрого приспособления вода из реки перекачивается в искусственный водоем. Всю работу осуществляет сама река: она и двигатель, и источник воды.

"Это про водяную мельницу. Потом уже стали так организовывать полив: запрудили реку, и потом уже струя сама падала на вот это колесо мельничное, вращая его. Ну, сейчас мы можем увидеть водяную мельницу, к примеру, в Уппсале в Швеции, очень хорошая такая водяная мельница, во Франции милые такие виды в маленьких городках, чудесно это колесо крутится. Может быть, уже никакого прагматического смысла в нем нет", – сказал Александр Снегуров.

Парус

Самым первым в истории человечества двигателем является парус. Появились паруса 5,5 тысяч лет назад. Парус на судне использует поступательную энергию ветра напрямую, не преобразовывая ее в другой вид энергии.

Позднее энергию ветра станут использовать в ветряных мельницах. А лопасти этих мельниц будут называть парусами.

"Египтяне впервые использовали парус как основной двигатель. Их толкало к этому наличие главной водной артерии – Нила. Нил течет с юга на север, а преобладающие ветра там – с севера на юг. И поэтому для доставки грузов и людей египтяне сначала использовали папирусные плоты, которые сшивались из тростника. На этих плотах гребцы довозили грузы, вывозили людей до устья Нила. А обратно уже спускались с помощью паруса по ветру, преодолевая течение", – пояснил яхтенный капитан открытого моря Андрей Иваничкин.

Парусный флот существует и сегодня. Конструкция паруса как ветряного двигателя может показаться очень простой: ветер дует в паруса и толкает судно по воде.

Принцип действительно несложный, но для управления парусами нужна хорошо обученная команда матросов. Сами паруса менять положение не могут, и никакой механизм с этой работой не справится.

Выходит, что каждый матрос на судне – это часть ветряного двигателя. И для того, чтобы посчитать его мощность, нужно сложить энергию ветра с энергией всей команды корабля.

"Паруса бывают глобально двух типов: прямые паруса и косые паруса либо их комбинации. Прямые паруса хороши на попутных ветрах, когда ветер вам дует в корму. Они плохо работают на острых курсах, когда ветер дует под углом, к курсу по движению судна впереди. Для этого нужны косые паруса, которые работают, как крыло. Набегающий поток ветра создает подъемную силу на треугольном парусе – эта подъемная сила толкает судно вперед", – пояснил Андрей Иваничкин.

Двигатель внутреннего сгорания

До конца XVIII века все топливные двигатели были системами с внешним сгоранием горючего – это делало всю конструкцию слишком громоздкой. Паровые котлы, топки для сжигания угля или дров, насосы, теплообменники, эти и другие устройства занимали много места. А сам механизм, приводящий в движение вал, был сравнительно небольшой. Заставить поршень двигаться в цилиндре с помощью сжигания топлива внутри системы было голубой мечтой всех изобретателей.

"В случае с двигателями внутреннего сгорания или внешнего сгорания используется сырье. Преобразуется сырье и получается энергия, которая используется в работе", – сказал геофизик Дмитрий Бакайкин.

Сначала в качестве горючего применялся светильный газ – его получали путем перегонки древесины. Газ смешивался с воздухом в специальной камере. Такие двигатели применялись в качестве лодочных моторов.

Карбюраторный двигатель

Однако жидкое топливо вскоре вытеснило газовые аналоги. Оно было удобнее, потому что не требовало дополнительных конструкций для сжатия. Но для жидкого топлива не хватало устройства, которое позволяло бы испарять горючую жидкость и смешивать ее с воздухом для воспламенения. Такое устройство, конечно же, придумали и назвали карбюратором.

"Жидкое топливо победило на заре двигателей внутреннего сгорания просто потому, что его удобнее использовать в жидком виде, удобнее поставлять внутрь двигателя. Оно так же дает достаточно большое количество тепла при сгорании, больше, чем дрова или уголь", – сказал доцент кафедры неорганической химии РТУ МИРЭА, кандидат химических наук Андрей Дорохов.

Дизельный двигатель

В конце XIX века немецкий инженер Рудольф Дизель сконструировал двигатель, работающий на угольной пыли. Воспламенение в этой конструкции происходило от сжатия, поэтому карбюратор был не нужен. Но угольная пыль быстро изнашивала механизм, и о двигателе забыли.

Вторую жизнь ему дал русский ученый Густав Тринклер, работавший на Путиловском заводе. Он применил бескомпрессорное распыление и стал использовать в качестве топлива нефть. Все двигатели, работающие от сжатия, стали называть дизелями – по имени первого изобретателя.

"Сейчас у нас применяются дизельные двигатели. Они более шумные, чем бензиновые двигатели. Большинство военных машин работают на дизельных двигателях. Солярка проще, наверное, в разработке, в производстве, чем бензин", – объяснил руководитель клуба старинных автомобилей Николай Марсов.

Инжекторный двигатель

Две системы внутреннего сгорания, бензиновый, карбюраторный и дизельный двигатели совершили настоящую техническую революцию. Они популярны во всем мире и до сих пор являются самыми распространенными.

Впоследствии на смену карбюраторам пришли инжекторы. Изначально они появились на авиационных двигателях в начале прошлого века, а в автомобильную индустрию попали значительно позже. Инжекторная система основана на принудительном впрыскивании топлива в рабочий цилиндр.

К сожалению, человечество до сих пор не может использовать всю выделяющуюся при взрывах в цилиндрах энергию. Огромное количество тепловой энергии пропадает, и, более того, "убивает" сам двигатель.

Таким образом, огромное количество энергии, которая производится в результате взрыва топлива в цилиндрах, просто улетает в воздух. А то, что мы тратим для того, чтобы получить движение, – это лишь минимум. Когда-нибудь мы сделаем такие двигатели, которые будут на 100% использовать энергию топлива. Ну, а пока человечеству до этого еще работать и работать.

Двигатель, работающий от выхлопных газов

Изобретатель Владимир Михайлов из Костромы разработал двигатель, работающий от выхлопных газов двигателя внутреннего сгорания. Отработанные газы приводят в движение еще один двигатель и только потом выбрасываются в атмосферу.

"Выхлопные газы и так уже порождаются работающим двигателем, и дополнительно засунуть туда еще один вряд ли целесообразно. Кроме того, выхлопные газы достаточно низкую температуру имеют, поэтому дают небольшую энергию дополнительную. То есть двигатель на выхлопных газах, он маломощен, и вряд ли где-то найдет практическое применение", – объяснил Андрей Дорохов.

Двигатель, работающий на ядерном топливе

Россия – первая страна в мире, которая стала использовать ядерную энергию в мирных целях. Надводные и подводные суда с ядерной установкой на борту имеют целый ряд преимуществ. Атомная подводная лодка пополняет топливо один раз в два – три года. Такое судно может находиться в плавании несколько месяцев и длительное время пребывать в подводном положении.

"Атомные подводные лодки – там ставятся почти такие же реакторы, как и на ледоколах. Это называется судовые атомные реакторы. Кстати, на плавучей электростанции "Ломоносов", которая на Чукотке, там такого же типа реактор стоит, как и на подводной лодке. Принцип тот же самый", – сказал доктор технических наук Анатолий Столяревский.

• Атомный реактор преобразует воду в пар.
• Паровой генератор вырабатывает электроэнергию.
• От полученного электричества работают ведущие двигатели и вся бортовая система корабля.
• При этом никакое топливо, кроме ядерного, такой установке не требуется.

"Ядерное топливо, вообще говоря, в начале развития ядерной энергетики могло применяться практически везде, где можно поместить ядерный реактор для того, чтобы вырабатывать энергию. Были люди, которые собирались даже на грузовом автотранспорте помещать атомные реакторы, и автотранспорт приобретал неограниченную дальность. После этого появились очень интересные применения на атомном ледокольном флоте. И первый атомный ледокол "Ленин" был построен в нашей стране и служил более 40 лет", – уточнил Анатолий Столяревский.

Электродвигатель

Современные электродвигатели получили самое широкое распространение – от подводных лодок до космических аппаратов. Трудно себе представить область деятельности, в которой не используется электрический двигатель.

Эра электромобилей, вероятно, уже наступила. Переход на электрическую тягу происходит на наших глазах. По оценкам специалистов, в России к 2030 году электрические транспортные средства начнут вытеснять машины на углеводородном топливе.

"Потому что, во-первых, это будет экологически чистый продукт на выходе. Во-вторых, его двигатели проще изготовить, они будут менее аварийные, более качественные и проще сам механизм использования передачи одной энергии в другую. Потому что движущуюся энергию меняем на электрическую, электрическую – на движущую. Вот и все", – объяснил заслуженный военный летчик РФ, кандидат технических наук Владимир Попов.

Современные необычные разработки

Мотоцикл с двигателями от бензопил

Энтузиасты-любители собрали мотоцикл, на который установили 24 двигателя от бензопил. Зачем и почему 24, осталось загадкой. Каждый мотор на мотоцикле заводится отдельно. И, хотя суммарная мощность мотоцикла получилась внушительной, назвать такое транспортное средство удобным сложно.

Двигатель на бактериях

А этот двигатель приводят в действие бактерии. Он пока не вечный, но претендует на этот статус. Споры бактерий, расположенных на пластинах, реагируют на влажность. Они сжимаются в сухой среде и распрямляются во влажной. Деформация пластин приводит в движение весь механизм. Не исключено, что автомобили на бактериях станут реальностью в ближайшем будущем.

Миниатюрные двигатели

Удивительный мотор размером с атом

Немецким ученым удалось создать самый маленький в мире тепловой двигатель. Размеры этого мотора не превышают размеры одного атома. Звучит фантастически, но это факт. Наномотор, как и положено тепловому двигателю, преобразует тепловую энергию в поступательную. Для этого ученые нагревали и охлаждали ион кальция, удерживая его с помощью палочки, длиной один миллиметр. С каждым циклом термического воздействия атом увеличивал свою вибрацию и накапливал энергию. 

Такой же принцип заставляет двигаться поршень в классическом двигателе.

"Двигатель реально из одного атома, даже чуть меньше. Ну, правда, КПД (коэффициент полезного действия – Прим. РЕН ТВ) такого двигателя порядка 0,03%, то есть меньше полупроцента. У двигателя внутреннего сгорания КПД 25-30%", – сказал доцент кафедры пищевых технологий и биоинженерии РЭУ имени Плеханова Дмитрий Зиборов.

Зачем нужны микродвигатели

Для того чтобы запустить в космос ракету, нужны самые мощные и самые большие двигатели. А высокотехнологичные устройства, работающие на микроэлектронике, требуют создания самых маленьких двигателей. 

Развитие беспилотной авиации получило дополнительный импульс благодаря появлению микродвигателей. В робототехнике миниатюризация достигла такого уровня, что стали возможными даже роботы-насекомые.

Развитие микрохирургии тоже нуждается в двигателях очень маленького размера. Новейшие технологии требуют разработок самых миниатюрных двигателей, поэтому мотор, состоящий из одного атома, может стать востребованным уже в ближайшем будущем. 

Если один атом может работать как тепловой двигатель, то, возможно, при обратном процессе, этот атом сможет вырабатывать энергию, а для нанотехнологий необходимы и наногенераторы.

"Микродвигатели, естественно, будут использоваться в основном, я думаю, для наноробототехники какой-то. В первую очередь, например, медицинская наноробототехника. Поэтому не будет проблем с ЖКТ у людей при приеме, например, антибиотиков и так далее. Многие мощные лекарства вызывают побочные эффекты. Если робот будет его доставлять только туда, куда надо, прямо брать молекулу и доставлять ее, то проблем не будет", – уверен Дмитрий Зиборов.

Лазерный двигатель

Лазер для запуска космических аппаратов

Идея использовать лазер для запуска космических объектов родилась в начале 1970-х годов. Технология лазерного реактивного двигателя, как и всех реактивных систем, достаточно проста.

• Испарение твердого вещества или разогрев газообразного для получения импульса происходит с помощью лазерного луча.
• А самое главное преимущество такого устройства в том, что лазерная установка может находиться за пределами летательного аппарата.

Разработки велись разными странами: американские ученые считали, что лазерный двигатель снизит себестоимость запуска космических объектов, а российские ученые рассчитывали с помощью лазера отказаться от окислителя, поскольку объем окислителя в несколько раз превышает объем самого топлива – это сильно утяжеляет конструкцию.

"То есть надо топлива взять в разы больше, чем полезный вес ракеты. Поэтому ракета большая, а спутник маленький. Собственно, так же мы и летим к Плутону, когда это вот спутник маленький, а бак за ним большой. Поэтому таким способом улететь и набрать там скорость света, а это 300 тысяч километров в секунду. То есть разрыв тут в десятки тысяч раз. И преодолеть его с помощью химического двигателя совершенно невозможно. Поэтому мы ждем каких-то прорывных открытий в науке, которые позволят нам решить этот вопрос. Но, опять же, нам нужно: первое – чтобы это был источник энергии, второе – от чего отталкиваться", – заявил директор Института космических исследований РАН Анатолий Петрукович.

Планы отправлять космические аппараты на околосветовых скоростях

В 2000 году американские разработчики смогли поднять на высоту 71 метра экспериментальную модель размером 12 сантиметров. Лучом лазера, расположенным на земле, в системе американского летательного аппарата разогревался атмосферный воздух.

Спустя пять лет российские ученые запатентовали свою разработку. Макет двигателя был продемонстрирован на экспериментальной модели весом 150 граммов. 

В Соединенных Штатах поспешили заявить, что новые технологии позволят отправлять межзвездные аппараты на околосветовых скоростях. Но пока американских астронавтов приходится возвращать на Землю на российских спускаемых аппаратах.