Известно, что для перемещения движения любого тела к нему должна быть приложена внешняя сила в направлении предполагаемого движения, так как внутренние силы по законам механики не могут изменить скорость движения центра масс (тяжести) системы тел, например поезда.
В различных видах транспорта используются разные способы создания движущей силы. Большинство из них относятся к двум принципиально отличающимся классам.
Первый — это непосредственное приложение внешней силы (рис. 1).
Самая очевидная форма реализации этого способа — это приложение внешней силы от стационарного источника энергии при помощи гибкой связи (каната).
Рис. 1. Движение при непосредственном приложении движущей силы: а — канатная тяга; б — парусное судно
Существуют различные системы, в которых транспортные средства перемещаются при помощи канатной тяги;
- над поверхностью земли — канатные дороги с вагонетками для грузов на промышленных предприятиях в горной промышленности, подъемники для пассажиров (лыжников, например) в горных условиях;
- на поверхности земли — по рельсам или направляющим — фуникулеры и эскалаторы;
- в вертикальном направлении на земле и под землей — лифты.
При помощи канатов перемещаются несамоходные паромы на водных (речных) переправах (например, через каналы).
Ясно, что все эти средства пригодны для транспортировки на ограниченные расстояния.
Следует заметить, что в начальную пору железнодорожного строительства в некоторых случаях проекты рельсовых дорог с канатной тягой от стационарных паровых машин не только всерьез конкурировали с локомотивной тягой, но и были реализованы частично (на подъемах) на первых железнодорожных линиях Дарлингтон — Стоктон и Ливерпуль — Манчестер в Англии (рис. 1.5, а).
Другой формой непосредственного использования внешней силы является использование динамического давления ветра р при помощи паруса (рис. 1.5,б), что очень долгое время для человечества было основным способом обеспечения транспорта по воде, причем даже на очень большие расстояния — при кругосветных экспедициях.
Движущая сила в этом случае создается под действием давления (точнее, динамического давления, или напора) ветра, которое зависит от квадрата его скорости, на площадь поверхности паруса А. Величина движущей силы при попутном ветре является произведением величины давления р на площадь поверхности паруса A (F=p А). Чем больше скорость ветра и площадь перпендикулярных ему поверхностей парусов, тем больше величина движущей силы.
При помощи парусного флота были совершены многие великие географические открытия. Парусные суда используются и сейчас, но ограниченно и, главным образом, для спортивных цепей или отдыха. Недостаток этого способа, если говорить о массовых перевозках грузов или пассажиров, очевиден: ветер не всегда есть вообще и далеко не всегда он дует в нужную сторону.
Есть еще некоторые формы непосредственного приложения внешней силы для транспорта:
- использование давления воздуха, газа или жидкости в замкнутых трубопроводах (трубопроводный транспорт нефти и газа, пневмо- и гидротранспорт сыпучих материалов, пневматическая почта внутри служебных помещений, которая была распространена до появления электрических видов связи);
- использование электромагнитного взаимодействия между искусственным путем и транспортным средством (линейный электродвигатель, ускорители ядерных частиц).
Очевидно, что эти способы еще менее универсальны и существенно ограничены по своим возможностям: либо по определенному виду транспортируемого груза, либо по расстоянию транспортировки.
Второй класс возможных способов создания движущих сил для транспортных целей — использование реакций твердого пути или подвижной среды, окружающей транспортные средства (рис. 2).
Рис. 2. Создание движущей силы при помощи реакций среды: а — отталкивание «рычагами» от твердой поверхности (паровоз У. Брентона, 1813 г.); б — колесный пароход; в — непрерывное отталкивание колесом от твердой поверхности (автомобиль)
Можно перечислить основные из них.
Отталкивание рычагами от твердой поверхности.
Этим способом пользуются наземные животные (и, естественно, люди), опорными «рычагами» для которых служат их собственные ноги. Реакция возникает при отталкивании от поверхности вследствие наличия трения между опорой (ногой) и поверхностью дороги.
Эффективность этого способа непосредственно зависит именно от величины силы трения. Мы знаем сами, как трудно передвигаться при ее практическом отсутствии (например, по гладкому льду).
Недостатком этого способа применительно к возможности создания сухопутных технических транспортных средств является неравномерность действия движущей силы, ее циклический характер, связанный с попеременным отталкиванием при ограниченном (два или четыре) количестве опор или рычагов.
Тем не менее была в свое время попытка использования этого способа при создании одного из первых паровозов в самом начале позапрошлого столетия. (Его создал изобретатель Уильям Брентон в Англии в 1813 г.). Масштабную схему (Μ 1:100) этого паровоза изобразил в своем историческом очерке развития локомотивов известный российский ученый-тяговик профессор Ю.В. Ломоносов (рис. 2, а). Паровоз Брентона имел пару вертикальных рычагов (стоек), которыми он под действием паровой машины буквально отталкивался от поверхности земли, примерно так же, как это делает лыжник, отталкиваясь палками. Из-за очевидного недостатка (неравномерности действия отталкивающей силы по величине и по времени), о котором говорилось выше, этот паровоз не мог работать достаточно эффективно, и такая идея не получила дальнейшего развития. В оправдание изобретателя надо, однако, сказать, что «ноги», расположенные по обеим сторонам локомотива, были применены на паровозе еще и для того, чтобы он сохранял устойчивость, двигаясь по очень неровному пути, уложенному из коротких рельсов.
Отталкивание рычагами от подвижной среды.
Так перемещаются рыбы в воде, птицы в воздухе. Человек использовал этот способ на воде, применив весла, которыми гребец, упираясь в воду, отталкивается от нее. Недостаток здесь тот же — циклический характер гребков приводит к неравномерности действия движущей силы. В колесном пароходе (рис. 1.6, б) благодаря большому числу лопастей на колесах и тому, что при вращении колес число одновременно отталкивающихся от воды лопастей остается одним и тем же, этот недостаток уже не ощущается. В этом случае отталкивание становится практически непрерывным и равномерным.
Непрерывное отталкивание колесом от твердой поверхности (рис. 2, в).
На этом принципе основан весь современный наземный самоходный колесный транспорт. Колесо, к которому должен быть приложен вращающий момент, создаваемый мускульной силой велосипедиста или передаваемый от вала двигателя (энергетической установки) транспортного средства благодаря наличию трения между колесом и поверхностью дороги непрерывно отталкивается от нее и преобразует таким образом свое вращательное движение в поступательное движение экипажа, в состав которого оно входит.
Эта непрерывность процесса отталкивания приводит к непрерывности действия внешней реакции, то есть к непрерывности действия внешней движущей силы, и позволяет создавать технические транспортные средства, в которых движущая сила может действовать постоянно и непрерывно.
Непрерывное отталкивание движущим винтом от подвижной среды — так можно назвать способ непрерывного создания движущей силы при помощи гребного винта в воде (рис.2, а) и пропеллера в воздухе (рис. 2, б), который аналогичен по своим свойствам и преимуществам использованию ведущего колеса на твердой поверхности. Известные специалисты по тяге поездов профессора А.М. Бабичков и В.Ф. Егорченко в своем фундаментальном учебнике назвали этот способ создания движущей силы в подвижной среде «ввинчиванием в нее».
Современный флот, речной и морской, надводный и подводный, основан именно на этом принципе так же, как и винтовая (пропеллерная) авиация.
Третий тип из возможных способов создания движущих сил на транспорте обычно называют реактивным движением. Строго говоря, все перечисленные выше способы могли бы быть также названы реактивными и, по сути дела, ими и являются, так как основаны на использовании реакций окружающей среды.
Но под реактивным движением обычно принято подразумевать движение за счет силы внутренней реакции газовой струи, вытекающей с большой скоростью из камеры сгорания двигателя. Наглядным примером действия подобной реактивной силы может служить явление так называемой отдачи, которое имеет место при выстреле огнестрельного оружия (револьвера, винтовки). Орудие стремится сдвинуться в направлении, противоположном движению выстреливаемого снаряда.
Рис. 2. Создание непрерывной движущей силы при помощи винта в подвижной среде: а — гребной винт на моторной лодке; б — воздушный винт (пропеллер) в авиации
Сила отдачи, мгновенно действующая при выстреле на затвор ствола, как следует из физики, на основе принципа сохранения импульса практически обратно пропорциональна отношению масс орудия и снаряда. Выстрел — явление кратковременное, поэтому и сила отдачи действует кратковременно. Но на этом принципе основано движение реактивного самолета или ракеты, двигатели которых, непрерывно выбрасывая поток продуктов сгорания топлива, создают непрерывно действующую (во время работы двигателя) реактивную движущую силу.
Возможности создания движущей силы таким способом, когда ее величина не ограничена условиями взаимодействия с дорогой, которыми, как будет показано ниже, ограничивается величина движущей силы колесных тяговых средств, привели к разработке и созданию высокоскоростных (гоночных) автомобилей и катеров с мощными реактивными двигателями. На таких экспериментальных машинах, кстати, и были установлены мировые рекорды скорости движения на земле и на воде. Имели место попытки использования реактивных двигателей для создания движущей силы и на железнодорожном подвижном составе (в частности, в СССР в 1971 — 1972 гг. испытывался опытный вагон с двумя авиационными турбореактивными двигателями, который при движении смог достичь скорости 249 км/ч).
Ясно, что все подобные транспортные машины с реактивными двигателями на поверхности земли могут иметь лишь или экспериментальный, или спортивный характер — ввиду своих, явно неэкологичных, качеств (непомерный шум, пожароопасность), не говоря уже о главном — отсутствии гарантированного обеспечения безопасности самого движения.