Краткая история развития наземного транспорта

     Вслед за паровозом с зубчатыми колесами появляется паровоз с ногами, похожий на гигантского кузнечика. Но не суждено было этому необычному шагающему паровозу благополучно закончить свой путь. Спустя несколько минут, когда поезд уже преодолел два десятка метров, раздался взрыв - лопнул котел. За свои ноги этот паровоз получил название «шагающей машины».

     Весной 1813 года один из владельцев Клингвортских копей лорд Лавенсворт получил письмо, в котором машинный мастер Стефенсон предлагал заменить лошадей «ходячими машинами». Стефенсон получил согласие и необходимые деньги. 25 июля 1815 года паровоз испытали. По словам очевидца, он мог «тащить помимо собственной тяжести, восемь груженых повозок, общим весом около тридцати тонн со скоростью четыре мили в час». В том же году Стефенсон создает второй паровоз, а в 1816 году третий. Он строит не только паровозы, но и дороги. 18 ноября 1822 года при огромном стечении зрителей была открыта Геттонская железная дорога длиной 12,8 километра, построенная по его проекту. Поэтому, в наши дни, изобретателем паровоза справедливо считают Стефенсона. Но сам Стефенсон в свое время был несколько другого мнения. «Паровоз, - сказал он, - изобретение не одного человека, а целого поколения инженеров-механиков». И он был прав...

     Только усилиями многих талантливых изобретателей поставленная на колеса паровая машина приобрела дошедшие до наших дней формы паровоза, а примитивные рельсовые дороги копий и заводов превратились в пути сообщения массового пользования.

     Рассмотрим сначала более подробно железнодорожный транспорт (наземный рельсовый). На Рис. 3 представлено изменение скорости различных составов во времени.

 

Рис. 3. Зависимость от времени скоростей различных составов: паровых (1), дизельных (2), газотурбинных (3), электрических многомоторных (4), электрических одномоторных (5), турбореактивных (6), турбореактивных (7), на воздушной подушке (8) и на магнитной подушке (9) по данным [Further information: Land speed record for railed vehicleshttp://en.wikipedia.org/wiki/High-speed_rail, Land speed record for railed vehicles http://en.wikipedia.org/wiki/Land_speed_record_for_railed_vehicles].

     Для рельсового транспорта, в отличии, например, от авиации, не характерно «достижение рекорда ради рекорда». Возможно, что это связано с большими затратами на создание инфраструктуры.

Система	Грузоподъемность	Скорость	Двигатель	Наличие собственного источника  энергии
Паровоз	+ +	-	Паровой	-
Тепловоз	+ +	+	Дизельный	-
Многомоторный электровоз	+ +	+ +	Электрический	+
Электрический локомотив	+ +	+	Электрический	+
Турбореактивный и ракетный	+	+	Реактивный	-
На воздушной подушке	-	+ +	Реактивный	-
На магнитной подушке	-	+ +	Электрический	+

Как уже было сказано, особенностью этого вида транспорта является обязательное использование колес для движения по рельсам. Это, с одной стороны, повышает возможности для перевозки больших грузов, с другой, ограничивает возможности движением только по подготовленным маршрутам. Еще одним отличием рельсового транспорта является перевозка больших грузов, для чего он и был изначально создан. В настоящее время к рельсовому транспорту можно условно причислить также поезда на воздушной и магнитной подушках. Однако сохранилось общее свойство – движение только по специально оборудованной трассе.

    Построим таблицу параметров рельсового транспорта (См. Табл. 1.).

Табл. 1. Параметры железнодорожного транспорта.

 

     Из таблицы видно, что сравнивать эти системы только по скорости не вполне корректно. Дело в том, что, как и для всех прочих транспортных систем, существует противоречие между быстротой доставки груза и его количеством. К сожалению, пока не удалось найти данных о росте грузоподъемности составов. Однако, скорость вполне можно использовать для их приблизительного сравнения.

     Самой первой Технической Системой (ТС) такого рода был паровоз. Скорость этой ТС, появившейся в начале ХIХ века, росла до его середины, после чего остановилась на значении около 150 км/ч. Но в начале ХХ века паровоз, казалось бы, обрел второе рождение. Рекордная скорость превысила 200 км/ч, что обеспечивалось ростом эффективности двигателя. Однако, резервы паровой машины уже были исчерпаны... (См. Рис. 3).

    На смену паровозу пришел тепловоз. Несмотря на разницу в конструкции, дизель также является тепловым двигателем. Произошло изменение типа двигателя, но это изменение в системе не кардинальное, поскольку «рабочий орган» - колесо, не изменился. Т.е. Действительно, кривая эволюции скорости тепловоза практически является продолжением скорости для паровоза.

     Кроме того, на кривой тепловоза практически отсутствует начальный участок, соответствующий «молодости» системы (См. Рис. 3). Это также объяснимо, поскольку тепловоз использовал существующую инфраструктуру железной дороги и подвижной состав (вагоны) практически без изменения. На данный момент, ТС «тепловоз» скорее всего, вышла на предел своих возможностей. Дальнейшая ее «жизнь» будет определяться целесообразностью замены ее электровозами.

    Были сделаны попытки заменить вид теплового двигателя. Но турбореактивные и ракетные двигатели хоть и были испытаны, но не получили дальнейшего развития. Вероятно, это объясняется тем, что такие системы должны перемещать с собой груз топлива. В то же время, расход топлива у них очень высок. В этом случае такие типы двигателей оказались неэффективны для перевозки больших грузов.

     Поезда с электромоторами в каждом вагоне появились достаточно давно. Их появление полностью соответствует основным тенденциям развития и иллюстрирует смену принципа работы двигателя с теплового на электрический.

& Тренд: Поле: тепловое - электрическое.

     Главным отличием этой системы явилось то, что Источник Энергии (ИЭ) был вынесен в надсистему. Это позволило отказаться от перевозки топлива (и соответствующих этому затрат).

Огромным преимуществом  явилась возможность использования  уже имеющегося рельсового пути. В  то же время, в отличие от тепловоза, электрический состав требовала  дополнения существующих путей системой электроснабжения. Задержка в росте  их скорости до середины ХХ века (См. Рис. 3) была, скорее всего, обусловлена не только необходимостью изменения путей, но и паузой в развитии электромоторов. Именно такая схема используется на нынешнем рекордсмене – составе TGV [http://ru.wikipedia.org/wiki/TGV]. В 2007 г. этот французский скоростной поезд установил новый мировой рекорд скорости для традиционного рельсового транспорта, разогнавшись до отметки в 574,8 километра в час [http://www.drezina.ru/article/10029.html].       Созданные затем электровозы (локомотивы с электроприводом), требуют гораздо большей единичной мощности мотора. Видимо это остановило рост их скоростей.

Еще одной разновидностью рельсового транспорта является монорельс, особенностью которого является движение состава по единственному рельсу [http://ru.wikipedia.org/wiki/Монорельс]. Но практического значения этот транспорт пока не получил.

Как уже было отмечено, «рельсовым» транспорт на воздушной  и магнитной подушках не вполне корректно. Однако, эти виды ТС явно продолжают линию развития «рельсового» транспорта. В таких системах колесо было заменено на поле.

& Тренд: Механическое - пневматическое – магнитное.

     Поезда на воздушной подушке не получили заметного развития. Видимо, причиной явилось то же самое требование везти на себе груз топлива и низкая грузоподъемность.

Поезда на магнитной подвеске (подушке) являются, на данный момент, рекордсменами по скорости. Японский поезд MLX01 побил рекорд скорости, установленный им же в 1999 году и попавший в Книгу рекордов Гиннеса. Правда, за четыре года его максимальная скорость увеличилась не слишком сильно - с 550 до 555 км/ч [http://www.saga.ua/44_archives_news_33415.html]. Судя по данным Табл. 1 именно такие ТС в будущем заменят существующие виды рельсового транспорта. Но затраты на замену инфраструктуры пока абсолютно неподъемны.

 

 

2.2. Развитие паровозов.

   Рассмотрим систему «паровоз». На Рис. 4А представлено зависимость изменения скорости паровозов от времени.

    На зависимости «скорость-время» для этой системы после бурного роста, начавшегося в 1820 г.г., наблюдается явная «ступенька» в районе 1850-1890 г.г. Ранее нами было высказано предположение, что такие «ступеньки» могут быть связаны либо с недостатками каких-либо ресурсов для развития системы, либо со слишком бурным экстенсивным развитием системы.

    Вспомним, чем отличался этот период от других. Именно тогда произошел значительный рост производства (См. Рис. 4В) и качества стали. Но, самое главное, именно в это время наблюдался исключительно бурный рост длины железнодорожных путей в США (См. Рис. 4С). Кстати, эта зависимость также описывается S-образной кривой.

    Нами было высказано предположение, что остановка в развитии (т.е. повышение качественных характеристик системы) связано с ее количественным ростом. Действительно, при возрастании длинны путей (и количества паровозов) не было необходимости совершенствовать паровоз. Аналогичная остановка в увеличении скорости наблюдается для пассажирских судов, в период, когда их количество в мире выросло в 3 раза.  

Рис. 4. Взаимосвязь между увеличением скоростей паровозов [Further information: Land speed record for railed vehicles http://en.wikipedia.org/wiki/High-speed_rail], удельной прочности стали и ростом длины железнодорожных путей в США [Growth of the Railroad Network in the United States G. Lloyd Wilson and Ellwood H. Spencer //Land Economics, Vol. 26, No. 4 (Nov., 1950), pp. 337-345].  

Рис. 5. Взаимосвязь между увеличением скоростей паровозов, и эффективности паровых двигателей [Heebyung Koh, Christopher L. Magee A functional approach for studying technological progress: Extension to energy technology Technological Forecasting & Social Change (2007)].

Можно, также, предположить, что в период «стабилизации» скоростей  паровозов росла мощность их двигателей и, следовательно, увеличивалось количество перевозимого груза. Кроме того, именно в этот период наблюдалась замедление в повышении эффективности паровых двигателей (См. Рис. 5В).

    То есть, можно подтвердить сделанный ранее вывод, что когда параметры ТС возрастают настолько, что они удовлетворяют общественную потребность, необходимость совершенствовать систему становится уже не такой острой и специалисты уделяют внимание налаживанию их массового выпуска. Но требования растут. И вот только тогда, когда параметры системы опять перестают устраивать потребителей, начинается новый этап в их развитии.

   

Глава 3. Развитие автомобильного транспорта.

 

3.1.Зарождение автотранспорта.

Как уже было отмечено ранее, перед изобретателями автомобилей  поставили серьезные ограничения, однако они продолжали работать в  этом направлении. Остовной толчок к появлению автомобиля дало создание двигателя внутреннего сгорания (ДВС) на бензине. Этот двигатель позволил Карлу Бенцу в 1885 г. построить первый в мире удобный в эксплуатации автомобиль.

Необходимо отметить, что в начальный период жизни автомобиля выбор именно ДВС не был очевиден. Рекорды скорости с 1988 по 1898 г. принадлежали электромобилям, а затем паровым автомобилям. И только с 1906 года стали лидировать именно ДВС.

В отличие от рельсового, для автомобильного транспорта, так  же как и для авиационного, характерно создание моделей-рекордсменов, которые, как правило, не являются непосредственно родоначальниками нового поколения автомобилей, но закладывают определенные концепции в дальнейшее развитие отрасли. Такие машины ориентированы на достижения только по одному параметру. Наиболее распространенными являются машины- рекордсмены по скорости. Графики зависимостей скоростей различных рекордных автомобилей и серийных машин от времени представлены на Рис. 6.

 

 

Рис. 6. Зависимость от времени скоростей рекордных автомобилей: электрических (1), паровых (2), с ДВС (3), газотурбинных (4),турбореактивных (5) и реактивных (6) (Land speed record http://en.wikipedia.org/wiki/Land_speed_record /), а также серийных (7) автомобилей [Record Holders http://en.wikipedia.org/wiki/Fastest_production_car].

    Первоначально разницы между ними не было, так как любая новая машина была, в сущности, рекордной и единственной. Поэтому до 1-й Мировой войны графики сливаются. Затем, в районе 20-х годов ХХ века появляется новое направление в автомобилестроении – машины направленные только на рекорды.

    Но у автомобилестроения есть еще одна особенность: кроме уникальных рекордсменов по скорости существует достаточно многочисленный класс гоночных машин (Формула-1). Эти машины не только служат источником удовольствия для многочисленных болельщиков, но и являются пилотными образцами для «обкатки» решений, которые будут затем применены в серийном производстве. К сожалению, гонки машин в этом виде спорта выявляют победителей заезда и не фиксируют рекорды скоростей [Formula Onehttp://en.wikipedia.org/wiki/Formula_One].

     Скорости рекордных машин росли до 1965 г., когда ДВС исчерпал свои ресуры. Поэтому среди рекордных автомобилей появились образцы, которые использовали другие типы двигателей: газовые турбины, турбореактивные и ракетные двигатели. Именно на ракетных автомобилях были поставлены рекорды скорости на земле.

     В настоящее время наивысшая скорость на суше в заезде по прямой (1190,377 км/ч, или 1,0106 маха) была показана на Бдуэйзер Рокет, трехколесном автомобилес ракетным двигателем 17 декабря 1979 г. Однако этот рекорд (1,0106 маха) не имеет официального подтверждения. Официальный мировой рекорд в заезде на 1,6 км равен 1019,467 км/ч. Его установил 4 октября 1983 г. Ричард Ноубл в пустыне Блэк-Рок, США, на машине Траст-2 с реактивным двигателем.  

Рис. 7. Зависимость от времени скоростей серийных автомобилей (А), мирового выпуска пассажирских автомобилей (В) (Среднегодовой выпуск автомобилей в разных странах  www.docload.spb.ru/Basesdoc/51/51537/index.htm) и удельной мощности автомобильных двигателей (С) [Heebyung Koh, Christopher L. Magee A functional approach for studying technological progress: Extension to energy technology Technological Forecasting & Social Change (2007)].