Чудеса техники

Первая подземная дорога появилась в Лондоне. Ее открытие состоялось 10 января 1863 года. Длина линии достигала всего 6 километров, а объем перевозок за день составлял лишь 26000 человек. Пассажирский поезд вел локомотив, работающий на паре. От сжигания угольного топлива образовывалось много дыма и сажи. При прохождении тоннеля двери вагона должны были быть закрытыми, о чем напоминало объявление: «Проезд тоннелем в открытом вагоне смертельно опасен». Так было до 1906 года, когда участок подземки электрифицировали.

После лондонского опыта метростроительство получило развитие в других американских и европейских городах. В 1868 году была построена первая линия в Нью-Йорке, затем в Чикаго, Бостоне, в 1896 году появилось метро в Будапеште и Глазго. В Париже первая линия метро стала действовать в 1900 году.

Попытки создания метрополитена в Москве относятся к началу XX века. В 1902 году Московская городская дума в присутствии репортеров газет заслушала сообщение инженера Балинского о «Постройке внеуличной железной дороги в Москве», в котором автор проекта изложил преимущество нового вида транспорта — метрополитена и доходность мероприятия для вкладчиков средств в создание «внеуличной железной дороги». Решение думы было кратким: «Господину Балинскому в его домогательствах отказать». Так была похоронена инженерная идея, воплотиться в жизнь которой было суждено лишь при Советской власти.

Развитию отечественного метростроительства положил начало Московский метрополитен, первые линии которого вступили в строй в 1935 году. Первые линии Кировско-Фрунзенская от станции «Сокольники» до станции «ЦПКиО имени Горького» и «Арбатская» от «Охотного ряда» до «Смоленской» имели общую протяженность только 11,4 километра и 13 станций. Линии метрополитена строятся трех типов: глубокого, мелкого заложения и наземного, что соответствует способам их прокладки — закрытому (тоннельному) и открытому. Каждый способ прокладки линии имеет свою технологию.

Строительство метрополитена закрытым способом ведется на участках со сложной градостроительной ситуацией, когда на трассе будущей линии находятся плотная ценная застройка, крупные инженерные сооружения. На свободных территориях в периферийных осваиваемых зонах города линии метрополитена строятся чаще мелкого заложения или открытым способом. Примером последних могут служить Филевская линия в Москве и Дарницкая в Киеве.

Стоимость строительства метрополитена открытым способом значительно ниже, чем закрытым, что во многом объясняется различной технологией работ. При открытом способе котлованы для тоннелей роют непосредственно с поверхности земли. При закрытом — первоначально необходимо пройти вертикальную выработку грунта на глубину заложения будущего тоннеля, то есть соорудить шахтный ствол.

Для проходки стволов применяются специальные бурильные установки. Первые полностью автоматизированные шахтные бурильные установки стала выпускать японская фирма «Тоё когё» в 1970-е годы. Система автоматического управления таких установок позволяет проводить весь цикл обуривания забоя без участия человека по программе, подготовленной заранее и введенной в ее компьютер в виде перфоленты. Это напоминает операцию на станках с числовым программным управлением. Объем памяти компьютера достаточно велик, что позволяет вводить в нее программы с множеством данных. Переход от одного режима работы к другому осуществляется нажатием кнопки на пульте управления установки.

Для проходки тоннелей метрополитена используется чаще всего щитовой метод. Применение проходческого щита, представляющего собой горизонтальный стальной цилиндр, по контуру которого укреплены домкраты, позволяет избежать осадки расположенных на поверхности строений при выемке грунта из тоннеля.

В конце 1960-х годов американское Национальное управление по аэронавтике и исследованию космического пространства (НАСА) решило провести эксперимент «Большой тур», идея которого состояла в следующем.

Обычно космический аппарат может достичь одной планеты. Но иногда, раз в несколько десятилетий, планеты Солнечной системы как бы выстраиваются друг за другом, и траекторию полета удается провести сразу мимо нескольких. Подобная ситуация должна была сложиться в конце 1970-х – начале 1980-х годов, и американцы задались целью осмотреть за один полет все планеты, начиная с Марса. Для этого они решили использовать так называемый гравитационный маневр, когда космический аппарат догоняет планету и та «подтягивает» его, ускоряя и поворачивая. Но на «Большой тур» не хватило средств, пришлось ограничиться планетами-гигантами. Программа «Вояджер» за пять лет разработки и двенадцать лет оперативной работы потребовала девятьсот миллионов долларов.

В августе–сентябре 1977 году стартовали две автоматические межпланетные станции «Вояджер» массой 798 килограммов каждая. Устроены они одинаково.

Наиболее заметная часть «Вояджеров» — чашка остронаправленной антенны диаметром 3,66 метра, с помощью которой обеспечивается связь с Землей. На тыльной стороне антенны находится герметичный отсек для служебных приборов, имеющий форму десятигранной призмы. В нем размещены радиосистемы, аппаратура управления с бортовой электронно-вычислительной машиной, рулевые двигатели, преобразователи электропитания; на трех гранях отсека смонтированы радиаторы системы терморегулирования.

Электроэнергией станцию снабжают три радиоизотопных генератора, смонтированные на одной из трех штанг. Мощность генераторов в начале полета достигала 431 Вт.

Научные приборы находятся на двух других штангах. На одной из них установлено четыре магнитометра, на другой, на поворотной платформе, — две телекамеры с теле- и широкоугольным объективами, спектрометры ультрафиолетового и инфракрасного диапазонов, детекторы космического излучения, заряженных частиц и многое другое.

Станции когда-нибудь выйдут за пределы Солнечной системы и могут быть обнаружены внеземными цивилизациями. Поэтому на аппаратах установили контейнер с записью обращения Курта Вальдхайма, в то время Генерального секретаря ООН, приветствий на 60 языках, звуков и шумов Земли общей продолжительностью 110 минут и 115 изображений.

«Вояджер-1» стартовал 5 сентября 1977 года. С 10 декабря того же года по 8 сентября следующего он шел через пояс астероидов и 5 марта 1979 года сблизился с Юпитером, 12 ноября 1980 года — с Сатурном.

«Вояджер-2» был запущен раньше — 20 августа 1974 года, но по другой, более «медленной» траектории. Юпитера он достиг 9 июля 1979 года, а 26 августа 1981 года «Вояджер-2» вслед за своим предшественником пронесся на расстоянии 101 тысяча километров от Сатурна. Приборы станции позволили прояснить характер некоторых явлений, впервые обнаруженных «Вояджером-1» и «Пионером-11». Так, разрешение на снимках колец Сатурна удалось довести до 10 километров (вместо 70 километров при первой встрече), и выявились тончайшие структуры, из которых сотканы кольца. В день максимального сближения «Вояджер-2» сфотографировал Узловатое и Эксцентричное кольцо «Ф». Снимки с разрешением в считанные километры выявили 4 компонента, составляющие кольцо. Можно было различить пряди, переплетенные в разных местах, а в других — вытягивающиеся параллельно. Через определенные промежутки в несколько тысяч километров обнаружены сгущения и узлы.

«Вояджер-2» дал дополнительную информацию и о спутниках Сатурна. Станция прошла Титан, Рею и Тефию.

Ученые нашей страны и большинства развитых стран мира уже много лет занимаются проблемой использования термоядерных реакций для целей энергетики. Созданы уникальные термоядерные установки — сложнейшие технические устройства, предназначенные для изучения возможности получения колоссальной энергии, которая выделяется пока лишь при взрыве водородной бомбы. Ученые хотят научиться контролировать ход термоядерной реакции — реакции соединения тяжелых ядер водорода (дейтерия и трития) с образованием ядер гелия при высоких температурах, — чтобы использовать выделяющуюся при этом энергию в мирных целях, на благо людям.

В литре водопроводной воды содержится совсем немного дейтерия. Но если этот дейтерий собрать и использовать как топливо в термоядерной установке, то можно получить энергии столько, сколько от сжигания почти 300 килограммов нефти. А для обеспечения энергией, которую сейчас получают при сжигании обычного топлива, добываемого за год, потребовалось бы извлечь дейтерий из воды, содержащейся в кубе со стороной всего 160 метров. Одна река Волга ежегодно несет в Каспийское море около 60000 таких кубов воды.

Для осуществления термоядерной реакции необходимо соблюдение нескольких условий. Так, температура в зоне, где происходит соединение тяжелых ядер водорода, должна составлять примерно 100 миллионов градусов. При такой огромной температуре речь идет уже не о газе, а о плазме. Плазма — это такое состояние вещества, когда при высоких температурах газа нейтральные атомы теряют принадлежащие им электроны и превращаются в положительные ионы. По-другому, плазма — смесь свободно движущихся положительных ионов и электронов. Второе условие состоит в необходимости поддерживать в зоне реакции плотность плазмы не ниже 100 тысяч миллиардов частиц в кубическом сантиметре. И, наконец, главное и самое трудное, — надо удержать ход термоядерной реакции хотя бы не меньше одной секунды.

Рабочая камера термоядерной установки — тороидальная, похожа на огромный пустотелый бублик. Она заполнена смесью дейтерия и трития. Внутри самой камеры создается плазменный виток — проводник, по которому пропускают электрический ток силой около 20 миллионов ампер.

Электрический ток выполняет три важные функции. Во-первых, он создает плазму. Во-вторых, разогревает ее до ста миллионов градусов. И, наконец, ток создает вокруг себя магнитное поле, то есть окружает плазму магнитными силовыми линиями. В принципе силовые линии вокруг плазмы должны были бы удержать ее в подвешенном состоянии и не дать плазме возможность соприкоснуться со стенками камеры Однако удержать плазму в подвешенном состоянии не так просто. Электрические силы деформируют плазменный проводник, не обладающий прочностью металлического проводника. Он изгибается, ударяется о стенку камеры и отдает ей свою тепловую энергию. Для предотвращения этого поверх тороидальной камеры надевают еще катушки, создающие в камере продольное магнитное поле, оттесняющее плазменный проводник от стенок. Только и этого оказывается мало, поскольку плазменный проводник с током стремится растянуться, увеличить свой диаметр. Удержать плазменный проводник от расширения призвано также магнитное поле, которое создается автоматически, без посторонних внешних сил. Плазменный проводник помещают вместе с тороидальной камерой еще в одну камеру большего размера, сделанную из немагнитного материала, обычно меди. Как только плазменный проводник делает попытку отклониться от положения равновесия, в медной оболочке по закону электромагнитной индукции возникает индукционный ток, обратный по направлению току в плазме. В результате появляется противодействующая сила, отталкивающая плазму от стенок камеры.

Удерживать плазму от соприкосновения со стенками камеры магнитным полем предложил в 1949 году А.Д. Сахаров, а немного позже американец Дж. Спитцер.

В физике принято давать названия каждому новому типу экспериментальных установок.

Время быстротечно. Чтобы уловить его ритм, человек придумал часы. Солнечные, лунные и звездные часы — механизм их подсказан самой природой, — на Востоке знали уже в глубокой древности. В V веке до нашей эры с ними познакомились греки, а два столетия спустя — римляне. Но пользоваться природными часами можно было лишь в ясную погоду. Тогда на помощь пришли водяные, огненные и песочные часы.

На рубеже XII–XIII веков появились часы механические. Имя изобретателя неизвестно, но придуманная им конструкция механизма в основных деталях сохранилась до нашего времени — достойный памятник неизвестному гению.

Первые колесные башенные часы начали отмерять почасовым боем время лондонцев на башне Вестминстерского аббатства в 1288 году, а в России они зазвонили на Спасской башне в 1404 году по указу сына Дмитрия Донского великого князя Василия Дмитриевича.

В XV веке часы с гирями украшали интерьеры дворцов, а изобретение пружины в начале XVI века в Нюрнберге позволило заключать механизм в корпус любой формы.

Ко второй половине XV века относятся самые первые упоминания об изготовлении часов с пружинным двигателем, который открыл путь к созданию миниатюрных часов. Источником движущей энергии в пружинных часах служила заведенная и стремящаяся развернуться пружина, которая представляла собой эластичную, тщательным образом закаленную стальную ленту, свернутую вокруг вала внутри барабана. Внешний конец пружины закреплялся за крючок в стенке барабана, внутренний — соединялся с валом барабана. Стремясь развернуться, пружина приводила во вращение барабан и связанное с ним зубчатое колесо, которое, в свою очередь, передавало это движение системе зубчатых колес до регулятора включительно. Конструируя такие часы, мастера должны были решить несколько сложных технических задач. Главная из них касалась работы самого двигателя. Ведь для правильного хода часов пружина должна на протяжении длительного времени воздействовать на колесный механизм с одной и той же силой. Для этого необходимо заставить ее разворачиваться медленно и равномерно. Толчком к созданию пружинных часов послужило изобретение запора, не позволявшего пружине распрямляться сразу. Он представлял собой маленькую щеколду, помещавшуюся в зубья колес и позволявшую пружине раскручиваться так, что одновременно поворачивался весь ее корпус, а вместе с ним — колеса часового механизма. Так как пружина имеет неодинаковую силу упругости на разных стадиях своего разворачивания, первым часовщикам приходилось прибегать к различным хитроумным ухищрениям, чтобы сделать ее ход более равномерным. Позже, когда научились изготовлять высококачественную сталь для часовых пружин, в них необходимость отпала.

Сейчас в недорогих часах пружину просто делают достаточно длинной, рассчитанной примерно на 30–36 часов работы, но при этом рекомендуют заводить часы раз в сутки в одно и то же время. Специальное приспособление мешает пружине при заводе свернуться до конца. В результате ход пружины используется только в средней части, когда сила ее упругости более равномерна.

Изобретателем современных механических часов по праву считается нидерландский ученый Х. Гюйгенс, который в 1657 году применил маятник в качестве регулятора хода часов.

Позднее маятник сменился балансом — маленьким маховым колесом, которое колеблется около положения равновесия, вращаясь, то в одну, то в другую сторону. Так появились карманные, а потом и наручные часы.

Индивидуальные часы в XVI и в начале XVII века были редкостью, диковинкой, их изготавливали по индивидуальному заказу только очень состоятельных людей.

Привычная круглая или «луковичная» форма часового корпуса характерна для второй половины XVII века. В более раннее время были популярны часы-игрушки, оформленные в виде шара, креста, раковины или книжечки. Основные центры часового дела — Блуа, Париж, Лондон, Амстердам.