Сергей Бердышев - Открытия и изобретения, о которых должен знать современный человек
Оба закона показывают изменение температуры сначала при постоянном давлении, а затем при постоянном объеме. Впоследствии, в середине XIX в., на основании найденных Бойлем, Мариоттом, Шарлем и Гей-Люссаком соотношений английский инженер Б. Клайперон и великий русский химик Д. И. Менделеев вывели объединенный газовый закон. Он гласит, что отношение произведения давления на объем к температуре газа есть величина постоянная.
Дизельный двигатель и другие изобретения
Благодаря соотношению газовых параметров удалось объяснить принципы адиабатического процесса в газах, протекающего на больших высотах в атмосфере, когда расширяющийся воздух остывает. Изменение объема и давления этого воздуха происходит одновременно и вызывает вполне естественное изменение температуры. Кинетическая теория добавляет к этой зависимости свое толкование. Воздух затрачивает внутреннюю энергию на такое расширение. Поскольку нагретость газа является условной мерой энергии движения молекул, то падение энергии неизбежно приводит к понижению температуры.
Дизельный двигатель был сконструирован при попытках повысить коэффициент полезного действия обыкновенных автомобильных двигателей внутреннего сгорания. Если при адиабатическом расширении газа его температура сильно падает, то обратный процесс — сжатие — должен приводить к существенному повышению температуры. Чем горячее сжатый газ, тем быстрее он сгорает. Горение при высоких температурах повышает эффективность работы двигателя.
Но в двигателях внутреннего сгорания сильно сжимать газ невозможно. Если превысить нормальное сжатие более чем в 5 раз, то газ воспламеняется значительно раньше положенного времени. Горючее вещество детонирует, что может привести к взрыву.
Немецкий изобретатель P. Дизель в конце XIX в. сконструировал двигатель нового типа, где эта проблема решалась сама собой. Начальный вариант устройства был предложен конструктором в 1897 г. Двигатель Дизеля, называемый ныне просто дизелем, позволял развивать 10-кратное сжатие газа.
Любопытно, что самим газом является не горючее вещество, а просто воздух. Он разогревается настолько, что в нем самовоспламеняются капельки жидкого топлива (прежде это была главным образом нефть). Оно намеренно разбрызгивается через форсунку посредством нагнетаемого компрессором воздуха. Сегодня наличие такого компрессора не является обязательным, он отсутствует на многих моделях дизеля. Температура сжатого воздуха в дизеле составляет +600 °C. Двигатель не нуждается в системе зажигания и способен работать на неочищенном топливе, в т. ч. и на нефти. У дизеля есть и множество других достоинств.
Один из самых первых массовых дизельных двигателей был поставлен в 1921 г. на тракторе марки «Ланц-Бульдог» германского производства. Примечательной чертой раннего дизеля следует назвать особенности его работы. Двигатель запускался посредством 10-минутного разогрева головки цилиндра. Для этой цели тракторист использовал паяльную лампу.
Когда эта процедура была выполнена, тракторист нацеплял съемное рулевое колесо на ось маховика и раскручивал последний. Затем рулевое колесо возвращалось обратно на колонку. Чтобы двигатель начинал вращаться в обратную сторону, трактористу требовалось сбавить число оборотов до предельно минимального значения и резко дать газ. Только таким способом удавалось добиться движения трактора задним ходом.
В наше время обращение с двигателем значительно упростилось, хотя устройство по-прежнему требует от водителя высокой технической культуры. Устанавливать дизель на автомобили не совсем удобно, хотя ряд его несомненных преимуществ перед четырехтактным газовым двигателем заставил инженеров поработать и в данном направлении. Широкое распространение легковые автомобили на дизелях получили только в 1970–1980-е гг. Какова окажется дальнейшая судьба этого вида транспорта, покажет будущее.
Газовые законы обязательно учитываются при изготовлении кислородных и других газовых баллонов, манометров, судов на воздушной подушке и прочих устройств. Подводные исследования с аквалангом, организованные благодаря Ж.-И. Кусто, обязаны своим проведением физике газов. Если бы создатели приспособлений для подводного плавания не учли сжимаемости воздуха, то аквалангисты непременно погибли бы. Читатель наверняка удивится, когда узнает, что человек не может находиться на глубине свыше 2 м.
Уже глубина в 60 см плохо влияет на сердечную деятельность и дыхание, а метровые глубины для многих опасны. Так происходит, если ныряльщик дышит воздухом, давление которого равно атмосферному. Давление воды на грудную клетку человека значительно выше, и если оно не уравновешивается противодавлением, то это неизбежно приведет к физиологическим нарушениям. Данное утверждение было проверено учеными на себе в смелых опытах. Экспериментаторы пытались дышать атмосферным воздухом через соломинку, пребывая на глубине 2 м.
Баллоны акваланга заполняют сжатым воздухом, а для больших глубин, во избежание появления у аквалангистов кессонной болезни, используют смесь кислорода с гелием, т. н. гелиокс. Соотношение компонентов газовой смеси подбирается опять же таким образом, чтобы ее давление уравновешивало давление воды на тело ныряльщика.
4. Познание мироздания
При слове «мироздание» современный человек традиционно представляет бесконечную черноту космоса, густо усеянную звездами, и несущуюся в этой пустоте по своей орбите нашу бело-голубую планету под названием Земля. Эти образы стали частью мироощущения современного человека сравнительно недавно. Еще тысячу лет назад подавляющее большинство людей верило в то, что Земля имеет плоскую форму, мирно покоится на слонах, золотой лягушке, гигантской черепахе, китах и прочих реальных или полусказочных животных.
Процесс познания строения Вселенной был чрезвычайно долог, полностью он не завершился и по сей день. Выдающиеся открытия позволили человеку заново увидеть космос, а созданные при помощи этих открытий замечательные изобретения способствовали началу эры космонавтики — времени покорения мирового пространства.
Полет к звездам
Возможно, это покажется в какой-то степени странным и необычным, но все фундаментальные физические законы, вскрывшие тайны космоса, послужили базисом не только для астрономии. На их основе сформировалась современная космонавтика, т. е. были изобретены технические средства для дальнейшего познания Вселенной. Получается замкнутый круг, в котором положительный эффект от одного события увеличивается последующим. Цепочка взаимосвязанных открытий и изобретений проложила человечеству дорогу в космос, которую писатели давно образно окрестили дорогой к звездам.
Открытие количества движения
Первооткрывателем количества движения явился великий французский ученый и мыслитель XVII столетия, основатель дедуктивного метода мышления P. Декарт. Он предположил, что при столкновении двух движущихся тел происходит обмен движениями. Одно из тел ускоряется, а второе, напротив, замедляется. Но в целом количество движения остается неизменным. То есть сумма количеств движения обоих тел сохраняет свое прежнее значение.
Например, примем количество движения тела А за 5 единиц, а тела Б — за 10 единиц. Естественно, абстрактные единицы здесь взяты вместо реальных для большей наглядности. При обмене количеством движения во время столкновения тела приобрели новые значения количества движения: для А оно равно 7, для Б — 8. Сумма, однако, не изменяется, она остается равной 15 единицам. Названная физическая величина представляет собой произведение массы тела на его скорость.
Обычно ученые называют количество движения импульсом тела. Не следует путать импульс тела с импульсом силы, который равен произведению силы на время ее действия. Читателя может удивить, откуда взялись столь странные величины. Они выведены из второго закона Ньютона. Согласно этому фундаментальному закону механики, под действием силы массе можно сообщить некоторое ускорение, причем масса и ускорение прямо пропорциональны значению силы.
Отсюда становится ясно, что за время, пока действует сила, происходит изменение скорости (ускорение) массы. Так как произведение времени на силу есть импульс силы, а произведение массы на скорость есть количество движения, то получается, что изменение количества движения равно импульсу силы.
Разумеется, все это было открыто не сразу. Сначала И. Ньютону предстояло сформулировать законы динамики. К слову, когда великий англичанин открыл второй закон динамики, то выразил его посредством декартовой величины — импульса тела. В формуле Ньютона ускорение полностью отсутствует, будучи замененным на более корректное выражение — изменение импульса тела за единицу времени. Ускорение ввели другие ученые, развивавшие классическую механику в посленьютоновский период. Они же тем самым невольно все испортили.
