ENCYKLOPEDIA TECHNIKI Z angielskiego przełożyli Agata i Andrzej Kochańscy Warszawa, ŚWIAT KSIĄŻKI, 1998 Tytuł oryginału The Encyclopedia of Science in Action Projekt okładki i stron tytułowych Cecylia Stamszewska, Ewa Łukasik Zdjęcie na okładce AGĘ East News Konsultacja Piotr Bembinow, Daniela Demianiuk, Piotr Dryjański, Piotr Goldstein, Michał Gomuliński, Manna Kirschke, Tomasz Kwast, Czesław Łepkowski Redakcja Ewa Mironhn Korekta Ewa Garbowska, Beata Paszkowska, Danuta Wdowczyk Edited and designed by Duncan Baird Publishers (DBP), Castle House, 6th Floor, GB-London W1P 3RE © Bertelsmann Lexikon Yerlag GmbH, Gutersloh/Munchen 1996 Wszystkie prawa zastrzeżone. Żadna część niniejszej publikacji nie może być reprodukowana, przechowywana jako źródło danych, przekazywana w jakiejkolwiek formie bez pisemnej zgody posiadaczy praw. Licencyjne wydanie Bertelsmann Media Sp. z o.o. za zgodą Bertelsmann Lexikon Yerlag GmbH, 1998 © Copyright for the Polish translation by Agata i Andrzej Kochańscy oraz Bertelsmann Media Sp. z o.o., 1998 Świat Książki, Warszawa 1998 ISBN 83-7129-794-7 Nr 1999 Autorzy tekstów Scott Beagne Clifford Bishop David B rodie Tobias Chapman Chris Cooper Paul Doughty Nigel Dudley Profesor John Durant Roger Ford Dr łan Killilea Peter Lafferty Eleanor Lawrence Dr Steve Matcher Dr Michael Mooney Guy Norns Paulette Pratt Dr Rebecca Renner Graham Ridhout Len Sanford Giles Sparrow David Tymm Dr Wendy Waddmgton Autorzy ilustracji Główni autorzy ilustracji Mikę Badrocke Hugh Dixon Eugene Fleury Roń Haywood Trevor Hill Ed Stuart David Russell Leslie D. Smith Inni Roy Flooks Mick Gillah Pavel Kostel Roddy Murray Jim Robins Colin Rosę Peter Sarson Colin Salmon Tony Townsend Konsultanci Martma Blum Dr Ralf Bodemann Dr Hans-Lmdgei Dienel Dr Christine Gundisch Dr Birte Hantke Dr Walter Hauser Dr Manfred Hoffmeister Stefan Ittner Dr Comelia Kemp Dr Matthias Knopp Peter Leitmeyr Ulnch Marsch Luitgard Marschall Dr Elke Muller Peter Schimkat Dr Stefan Stein Dr Gudrun Wolfschmidt Przedmowa Słyszałem kiedyś opowieść o pewnym antropologu, który badał jedno z plemion zamieszkujących puszcze południowoamerykańskie. Jak to antropologowie mają w zwyczaju, spędził tam wiele miesięcy, żyjąc w wybranej przez siebie społeczności, i oczywiście poznał ją całkiem nieźle. Pewnego dnia wyjaśnił nowym przyjaciołom, że musi powrócić do swego plemienia na kilka tygodni; między innymi potrzebował świeżej porcji papieru i ołówków do pracy. To wyjaśnienie spowodowało pewne zdziwienie wśród tubylców. Zapytali antropologa, z czego robione są ołówki i papier. Gdy dowiedzieli się, że z drzewa, odparli: „No cóż, tutaj jest mnóstwo drzew. Dlaczego więc sam nie zrobisz sobie papieru i ołówków?". Nauka i technika zmieniły nasze życie, ale nie całkiem w taki sposób, jak często myślimy. Oczywiście, dały nam ogromną porcję nowej wiedzy i możliwości. Od produkcji samochodów do tworzenia sieci komputerowych, od wytwarzania energii w elektrowniach wodnych do transplantacji serca, możemy robić rzeczy, o których nasi przodkowie nawet nie marzyli. Jednakże nie dzieje się tak dlatego, że jesteśmy mądrzejsi czy zdolniejsi niż oni. Prawda wygląda tak, że żyjemy w wieku specjalistów i jesteśmy zależni od innych, jeśli chodzi o większość rzeczy, których potrzebujemy w życiu codziennym. Tam gdzie kultury przednau-kowe są zadziwiająco samowystarczalne, my znajdujemy się w tej samej sytuacji, co antropolog: zwracamy się do innych, aby dostarczyli nam papieru i ołówków. Istnieje wiele zalet specjalizacji, ale jest też przynajmniej jedna ogromna wada. We współczesnym skomplikowanym świecie pojawia się rzeczywiste ryzyko, iż możemy całkowicie stracić kontakt z naukowym i technicznym wymiarem naszego życia codziennego. Wraz z rosnącym tempem zmian naukowych i technicznych ryzyko to nieustannie wzrasta. Przejście od papieru i ołówka do druku zajęło tysiąclecia, ale przejście od druku do środków masowego przekazu to już tylko wieki, przejście zaś od środków masowego przekazu do Internetu to zaledwie kilka dziesięcioleci. Dzisiaj stoimy w obliczu zalewu ciągle nowych technik komunikacyjnych, a zjawisko to zda się nie mieć końca. I rzeczywiście, zuchwały jest ten, kto odważy się prorokować, co jeszcze będzie przed nami. Dlaczego ważne jest, abyśmy nie tracili kontaktu z nauką i techniką? No cóż, po pierwsze, odczuwamy potrzebę, aby coś o tym wiedzieć. Chcemy pojmować nasz świat: zrozumieć na przykład, dlaczego byliśmy w stanie wysłać ludzi na Księżyc, ale nie zdołaliśmy (jak dotąd) znaleźć lekarstwa na raka, i dlaczego możemy patrzeć w przeszłość za pomocą potężnych teleskopów, ale nie możemy przewidzieć na pewno, co stanie się z wszechświatem. Musimy radzić sobie z naszą rzeczywistością - dokonywać rozumnych decyzji osobistych, dotyczących na przykład stylu życia i troski o zdrowie. I musimy rzeczywiście współtworzyć nasz świat -wyrabiać sobie mądre sądy w kwestiach politycznych, odnoszących się do nauki i techniki, na przykład polityki energetycznej, autostrady informacyjnej i zanieczyszczenia środowiska. W każdym przypadku możemy w życiu działać zdecydowanie skuteczniej, jeśli mamy pewne pojęcie o nauce i technice. Nauka i technika to dziedziny nie tylko użyteczne, ale także interesujące. My, ludzie, jesteśmy istotami ciekawymi i chcemy wiedzieć, co się dzieje. Dzieci przejawiają pewnie najwięcej ciekawości ze wszystkich i często mówi się, że naukowcy i wynalazcy to w rzeczywistości dorośli, którzy nigdy nie zatracili tej dziecięcej ciekawości, pytając, jak świat działa Przedmowa czy też, jak może działać. Jak to możliwe, że maszyny mogą zaprzeczać sile grawitacji, grać w różne gry czy tworzyć dokładne trójwymiarowe obrazy wnętrza czyjejś głowy, nie powo-* dując nawet zadrapania skóry? Nie musimy tego wiedzieć, aby latać samolotem, grać z komputerem w szachy czy się poddać badaniom lekarskim. Jeśli jednak mają Państwo w sobie choćby odrobinę dociekliwości, niemożliwe jest, abyście robili którąkolwiek z tych rzeczy przynajmniej bez zastanowienia się. Encyklopedia techniki jest skierowana do każdego, kto ma w sobie ciekawość nauki i techniki. Stanowi ona doskonałe wprowadzenie w świat wynalazków, dzięki którym pracujemy, prowadzimy nasze domy i bawimy się. Zajmuje się zarówno tradycyjnymi „cięższymi" dziedzinami techniki, związanymi na przykład z transportem, wytwarzaniem energii czy produkcją, jak i współczesnymi „lżejszymi" dziedzinami, takimi jak technika informacji czy biotechnika; dodatkowo przedstawia wiele kluczowych praw naukowych, które leżą u podstaw tych dziedzin techniki. W wypadku każdego zagadnienia jasny opis towarzyszy pobudzającym wyobraźnię ilustracjom, które pokazują krok po kroku, jak wszystkie te rzeczy działają. Nie można przewidzieć przyszłości. Jedyne, co można powiedzieć z pewnością, to to, że -częściowo dzięki odkryciom naukowym i innowacjom technicznym - przyszłość różnić się będzie od przeszłości. Jeśli mamy sobie radzić z gwałtownie zmieniającym się światem, to nie możemy być naukowymi i technicznymi analfabetami. Nasza ilustrowana Encyklopedia techniki jest idealnym sposobem, aby zacząć naukę. Prof. John Durant Muzeum Nauki w Londynie Kilka słów o tej książce Produktami końcowymi innowacji technicznych są urządzenia i procesy, które kształtują nasze życie codzienne. Encyklopedia techniki podzielona jest na siedem części tematycznych: \ Transport, Informacja i rozrywka, Technika w domu, Energetyka i produkcja, Nauka i medycy- / na, Przestrzeń kosmiczna oraz Cząsteczki i substancje, odzwierciedlających sposoby wykorzystywania tychże produktów. Te główne części tematyczne podzielone są na dwustronicowe rozdziały, z których każdy odnosi się do wybranego zagadnienia technicznego. W poszczególnych rozdziałach przykłady urządzeń lub podstawowych procesów produkcyjnych przedstawione są szczegółowo na dużej kolorowej ilustracji wraz z pełnym objaśnieniem w postaci równie szczegółowych podpisów. Dodatkowe ilustracje, zdjęcia oraz zasadniczy tekst ukazują szerszy kontekst oraz stanowią wprowadzenie do tych aspektów wiedzy naukowej, z których dana dziedzina techniki robi użytek. Każdy dwustronicowy rozdział siedmiu głównych części tematycznych stanowi zamkniętą całość, pozwalającą na szybkie zrozumienie pojedynczego zagadnienia. Aby jednak zrobić z tej książki pełny użytek, należy korzystać z odsyłaczy pod nazwą Zobacz także, wymienionych u dołu każdego rozdziału. Odsyłacze te wskazują inne, powiązane z danym tematem, dziedziny techniki. Stanowi to odzwierciedlenie faktu, że żyjemy w bardzo skomplikowanym świecie, w którym rozwój jednej dziedziny techniki jest uzależniony od istnienia drugiej i w którym procesy produkcji są w znacznym stopniu wzajemnie od siebie zależne. Na przykład wieże wiertnicze służą temu, aby dostarczać ropy rafineriom, które z kolei są dostawcami paliwa dla elektrowni oraz surowca dla przemysłu chemicznego; wieże wiertnicze zaś są obsługiwane przez olbrzymie tankowce, a ich konserwacje i naprawy przeprowadzają nurkowie i zdalnie sterowane łodzie podwodne. śledząc relacje przedstawione w odsyłaczach można nie tylko uzyskać pełniejszy obraz tego, jak działa wieża wiertnicza, ale także dostrzec, jak różne dziedziny techniki i gałęzie przemysłu są ze sobą powiązane. Odsyłacze służą jeszcze jednemu istotnemu celowi odnosząc się do poszczególnych rozdziałów w części zatytułowanej Prawa przyrody, znajdującej się na końcu tej książki. Krótkie teksty, ilustrowane prostymi diagramami, wyjaśniają podstawowe elementy wiedzy naukowej, wykorzystywanej w wynalazkach technicznych. Te podstawowe aspekty wiedzy naukowej przedstawione są całkowicie bez użycia aparatu matematycznego, poprzez odwoływanie się do codziennych przykładów, dzięki czemu stają się łatwo zrozumiałe także dla laika. Spis treści l Transport 3 Technika w domu Silnik spalinowy wewnętrznego spalania 12 Samochody: układy 14 Samochody: bezpieczeństwo 16 Samochody: nowe rozwiązania 18 Pociągi 20 Systemy kolejowe 22 Silniki odrzutowe 24 Samoloty: aerodynamika 26 Samoloty: układy 28 Helikoptery (śmigłowce) 30 Samoloty: nowe rozwiązania 32 Poduszkowce i wodoloty 34 Statki 36 Technika podwodna 38 Pomoce nawigacyjne 40 2 Informacja i rozrywka Sprzęt audio 44 Telefony 46 Telefony komórkowe i światłowody 48 Radio 50 Rejestrowanie dźwięku 52 Płyty kompaktowe 54 Telewizja 56 Technika wideo 58 Telewizja: nowe rozwiązania 60 Aparaty fotograficzne 62 Kamery filmowe 64 Efekty specjalne 66 Błona fotograficzna 68 Lasery i holografia 70 Sprzęt biurowy 72 Techniki przygotowania do druku 74 Drukowanie 76 Komputery: budowa 78 Komputery: pamięć i zapisywanie danych 80 Komputery: sieci 82 Komputery: nowe rozwiązania 84 Warunki klimatyczne w pomieszczeniach Obróbka produktów spożywczych Czyszczenie Elektryczność w domu „Myślący" budynek 4 Energetyka i produkcja Górnictwo Ropa naftowa: poszukiwania Ropa naftowa: wydobycie Elektrownie Energetyka jądrowa Energetyka jądrowa: nowe rozwiązania l Odnawialne źródła energii: Słońce i wiatr l H li H li 11 Odnawialne źródła energii: Ziemia Przesyłanie energii elektrycznej Mosty Tunele Drapacze chmur Produkcja papieru Produkcja układów scalonych Roboty Utylizacja odpadów 5 Nauka i medycyna Obiektywy i mikroskopy Mikroskopy elektronowe Teleskopy Spektrografy Analiza chemiczna Akceleratory cząstek Miniaturyzacja Odmierzanie czasu Promieniowanie i medycyna Rezonans magnetyczny Ultradźwięki i medycyna Monitorowanie ludzkiego organizmu Mikrochirurgia l l l i: i: i: i: i: i: i: i: i: li li li li li Przestrzeń kosmiczna RAkiety 162 Prom kosmiczny: lot 164 Prom kosmiczny: wykonywane zadania 166 • jcer w przestrzeni kosmicznej 168 I . ' kosmosie 170 - _->: orbity 172 ">: obserwacja Ziemi 174 . ->: astronomia w kosmosie 176 - planetarne 178 Kosmiczne: nowe rozwiązania 180 Cząsteczki i substancje iz>Tiieria chemiczna ?-j_nnacja ropy naftowej P^dukcja stali Jtróbka metali P jmery Materiały zaawansowane Biotechnologia "* wrzenie piwa : - dki farmaceutyczne inżynieria genetyczna: Tganizmy niższe _^i}Tueria genetyczna: jrganizmy wyższe izynieria genetyczna: ludzie 184 186 188 190 192 194 196 198 200 202 204 206 Prawa przyrody Wstęp Właściwości materii Atomy i pierwiastki Atomy, elektrony i energia Układ okresowy Wiązania chemiczne Energia i reakcje chemiczne Chemia węgla Materia, ciepło i energia Ciała stałe Ciecze Gazy Mieszaniny i roztwory Przemiany energii Mechanika Siły w równowadze Ciała w ruchu Praca, energia i moc Ruch obrotowy Elektryczność i magnetyzm Elektrostatyka Prądy elektryczne Magnetyzm i elektromagnetyzm Obwody elektryczne Półprzewodniki Układy elektroniczne Elementy logiczne i cyfrowe Natura fali Dźwięk i słuch Fale elektromagnetyczne Zwierciadła i soczewki Światło, kolor i wrażenia wzrokowe •» Fizyka jądrowa Promieniotwórczość Siły natury Jednostki Słowniczek ważniejszych terminów Indeks Podziękowania 210 212 214 216 218 220 222 224 226 228 230 232 234 236 238 240 242 244 246 248 250 252 254 256 258 260 262 264 266 268 270 272 273 280 288 Samochodowe linie produkcyjne pracują przez całą dobę Czynności powtarzalne, takie jak punktowe zgrzewanie karoserii, wykonywane są przez roboty z bezblędną precyzją l Transport Silnik spalinowy wewnętrznego spalania Samochody: układy Samochody: bezpieczeństwo Samochody: nowe rozwiązania Pociągi Systemy kolejowe Silniki odrzutowe Samoloty: aerodynamika Samoloty: układy Helikoptery (śmigłowce) Samoloty: nowe rozwiązania Poduszkowce i wodoloty Statki Technika podwodna Pomoce nawigacyjne 12 Silnik spalinowy wewnętrznego spalania Jak pracuje silnik spalinowy wewnętrznego spalania Każdego roku przemysł produkuje ponad 300 000 000 pojazdów, z których prawie wszystkie napędzane są przez jakiś rodzaj silnika spalinowego wewnętrznego spalania. Silniki te tworzą cały wachlarz typów, od maleńkich jednocylindrowych silniczków napędzających modele lotnicze do 20-litrowych silników dieslowskich z turbosprężarką doładowującą (zaopatrzone są w nie ciężarówki budowlane), których moc jest większa niż moc 15 średnich samochodów osobowych. Podstawowa konstrukcja silnika benzynowego niewiele się zmieniła od czasu wynalezienia go przez Benza i Daimlera, ale dzisiejsze silniki mają setki razy większą moc i wyższą sprawność działania. Chłodzenie Silniki spalinowe wytwarzają więcej zbędnego ciepła niż użytecznej energii. Dlatego system chłodzenia [C] jest niezbędny, aby zapobiegać przegrzaniu. Każdy cylinder otoczony jest „płaszczem" rurek. Przez nie tłoczona jest woda chłodzona powietrzem opływającym cienkie rurki chłodnicy. Cały ten system znajduje się pod ciśnieniem, więc woda może nagrzewać się do 12(J°C, nie dochodząc d wrzenia. Płynną pracę silnika zapewnia smarowanie. Pompa zasysa olej z miski olejowej, filtruje go i podaje pod dużym ciśnieniem na wał korbowy i łożyska wału. Samochód jadący z dużą prędkością poruszany jest przez ponad 100 niewielkich wybuchów, następujących w jego silniku w każdej sekundzie. W typowym silniku z obiegiem Otto łatwo palna mieszanka paliwa i powietrza jest zasysana do cylindra nad poruszającym się tłokiem i sprężana do około jednej ósmej swej pierwotnej objętości. Iskra ze świecy zapłonowej zapala mieszankę, której wybuchowe spalanie się przesuwa tłok w dół. Ruch tłoka w górę i w dół jest przekształcany przez wy-korbienie i korbowód w ruch obrotowy wału korbowego. W samochodzie wykorzystane jest to do obracania kół, ale ruch obrotowy może być równie dobrze przeniesiony na śmigło samolotu czy wał prądnicy. Spalanie jest niezwykle egzotermiczną reakcją chemiczną, wydzielającą znaczną ilość ciepła, które zwiększa ciśnienie gazów spalinowych. Dodatkowo, produkty gazowe reakcji mają większą objętość niż mieszanka paliwowo-powietrzna, z której powstają, co znacznie wzmacnia efekt działania. Różnica ciśnień gazów oznacza, iż siła wytworzona przez gazy spalinowe pchające tłok w dół jest większa niż ta, która jest potrzebna do sprężenia pierwotnej mieszanki paliwowo-powietrznej. Ta dodatkowa energia stanowi produkt użyteczny pracy silnika. Bardzo niewiele silników pracuje stale z tą samą prędkością czy też stale produkuje tę samą moc. Gdy samochód zaczyna pokonywać wzniesienie, jego silnik musi osiągnąć większą moc, obracając się jednocześnie z tą samą prędkością. Kierowca przyciska wtedy pedał przepustnicy gaźnika, czego skutkiem jest wpuszczenie większej objętości powietrza i paliwa do każdego cylindra. Większa ilość paliwa oznacza potężniejszy wybuch, a co za tym idzie, większą siłę obracającą działającą na wał korbowy. Dawniej ilość zasysanego powietrza i paliwa kontrolowana była poprzez gaźnik, ale obecnie znacznie częściej zajmuje się tym elektroniczny system wtrysku paliwa i kontroli silnika. Kontroluje on mieszankę paliwowo-powietrzną łącznie z momentami pojawiania się iskry zapłonowej. Chodzi o to, by silnik stale pracował sprawnie i nie zanieczyszczał środowiska. Inne możliwości techniczne W cyklu czterosuwowym każdy cylinder wytwarza energię tylko przez jedną czwartą czasu. To wyjaśnia, dlaczego większość typowych silników ma 4 cylindry. Jeden z nich zawsze musi wytwarzać siłę stale obracającą wał korbowy. Zastosowanie jeszcze większej liczby cylindrów sprawia, iż suwy robocze tłoków nakładają się na siebie, dzięki czemu praca silnika jest płynniejsza, a więc silniki 6-, 8- czy 12-cylindrowe są popularne w luksusowych samochodach. W czterech suwach W większości samochodów osobowych wykorzystywany jest czterosuwowy silnik z obiegiem Otto [A]. W suwie ssania [1] obracający się wał korbowy porusza tłok w dół, zasysając w ten sposób mieszankę paliwowo-powietrzna przez otwarty zawór wlotowy. Zawór ten zamyka się, gdy tłok podnosi się w suwie sprężania [2], w którym mieszanka jest w cylindrze sprężana. W końcowym momencie ruchu tłoka w górą iskra ze świecy zapłonowej zapala mieszankę. Gwałtownie wytworzone ciepło rozpręża gaz, powodując ruch tłoka w dół w suwie pracy [3], Gdy tłok zaczyna poruszać się w górę w suwie wydechu [4], otwiera się zawór wydechowy i wypuszcza spaliny na zewnątrz. zawór wlotowy świeca zapłonów wtryskiwacz; paliwa wał korbowy Silnik na olej napędowy Silnik Diesla (wysokoprężny) [B] ma budowę podobną do budowy silnika z obiegiem Ot, W fazie [1] zasysane jest wyłącznie powietrze, które sprężane jest do objętości 22 razy mniejszej niż objętość pierwotna [2]. Proporcja sprężenia jest w tym wypadku zdecydowanie większa niż w wypadku silnika z zapłonen iskrowym. To ogromne ciśnienie podgrzewa powietrze do wysokiej temperatury. Gdy olej napędowy wtryskiwany jest w górnej fazie suwu [3], następuje jego samoczynny zapłon, a wybuch ponownie porusza tłok w dół [4]. Gdy ruch wału korbowego pcha tłok jeszcze raz w górę, otwiera się zawór wydechowy, co umożliwia wydostanie się gazów spalinowych [5]. Zobacz także: Samochody 14 16 18 Silniki odrzutowe 24 Ropa naftowa 102 104 Rafinacja ropy naftowej 186 Prawa przyrody 20 222 224 230 234 236 238 240 wałek rozrządu pasek rozrządu mieszanka paliwowo-powietrzna mieszanka ~ pahwowo-powietrzna Blok silnika W 16-zaworowym silniku [D] mieszanka paliwowo-powietrzna wpływa z kolektora wlotowego do każdego z 4 cylindrów przez zawory wlotowe Są one otwierane i zamykane w pomocą walka rozrządu poruszanego przez wal korbowy za pośrednictwem paska rozrządu Tłoki, które obracają wal korbowy poprzez korbowody, ?ą tak ukształtowane, aby moduł elektroniczny 13 czystość zesnych silników . h jest w moduły , zapewniające ich ~?tą pracę przy bciązemach [E] zny to • ~ czujnikami •ymi pozycje pedału ia i hamulca, skład tolektorze wlotowym i wydechowym, prędkość silnika oraz temperaturą zasysanego powietrza Wykorzystuje te dane, aby kontrolować ilość paliwa wtryskiwanego do każdego cylindra oraz moment, w którym iskrzy świeca zapłonowa Szkodliwe produkty spalania w gazach spalinowych usuwane są przez katalizator „zawirowywać" mieszanką pali wowo-powietrzną, zapewniając w ten sposób optymalne spalanie. Drugi wałek rozrządu otwiera zawory wydechowe, przez które wydostają się gazy spalinowe 4 zawory w każdym cylindrze pozwalają na spalanie większej ilości paliwa i powietrza w każdym cyklu, dzięki czemu wytwarzana jest większa energia Ustawienie cylindrów względem siebie także może być różne. W układzie V każde wykorbienie waha korbowego połączone jest z dwoma cylindrami, dzięki czemu silnik może być znacznie krótszy. Cylindry w silniku typu bokser ułożone są w dwóch zespołach naprzeciw siebie. Obieg Otto nie jest jedynym sposobem spalania paliwa. Silnik Diesla (silnik wysokoprężny) spręża powietrze w znacznie większym stopniu i wykorzystuje powstałe w ten sposób ciepło do zapłonu paliwa wtryskiwanego do cylindra. Taki silnik jest sprawniejszy niż silnik benzynowy, lecz jednocześnie cięższy, gdyż jego części składowe muszą wytrzymywać działanie większych sił. Silnik wcale nie musi mieć cylindrów Silnik Wankla chwyta powietrze i paliwo w szczelinę pomiędzy obrotowym tiokiem a specjalnie ukształtowaną obudową. Szczelina ta zmienia objętość wraz z obracaniem się tłoka, sprężając mieszankę, dopóki nie zapali jej iskra. Gazy spalinowe wypełniają powiększającą się teraz szczelinę i poruszają w ten sposób tłok, dając lekkie i równomiernie pracujące źródło energii. 14 słupek drzwiowy t Samochody: układy Jak pracują samochodowe układy przenoszące i skrzynie biegów W ciągu jednego stulecia samochód przekształcił się z kosztownej zabawki ludzi bogatych w codzienny środek transportu dla mas. Ogromne zapotrzebowanie na samochody - co roku produkuje się ich około 40 000 000 - sprawia, iż producenci intensywnie współzawodniczą ze sobą o coraz większą wygodę, bezpieczeństwo, ekonomiczność i coraz niższą cenę produkowanych pojazdów. Takie czynniki łącznie z ograniczeniami charakterystycznymi dla inżynierii produkcji masowej oznaczają, iż większość samochodów skonstruowana jest według tych samych podstawowych zasad. Ale wykonywane na zamówienie pojazdy, zdolne do rozwijania prędkości ponad 350 km/h, wciąż są popularne wśród najzamożniejszych. Współczesny samochód składa się z kilku różnych skomplikowanych układów, przy czym wszystkie mają za zadanie kontrolowanie funkcjonowania pojazdu. Mimo bardzo zróżnicowanych kształtów nadwozia większość samochodów jest pod tym nadwoziem bardzo podobna. Prawie zawsze zamontowany jest w samochodzie silnik spalinowy wewnętrznego spalania, napędzający przednie koła niniejszych pojazdów lub tylne koła pojazdów większych za pośrednictwem sprzęgła i skrzyni biegów. Silnik, choć często wyposażony w elektroniczne moduły odpowiedzialne za maksymalizowanie jego mocy i minimalizowanie zanieczyszczenia środowiska, jest zasadniczo takiego samego typu, jak ten, który montowano do samochodów od początków ich produkcji. A jednak współczesne samochody wyglądają zdecydowanie inaczej. Ich opływowe i zaokrąglone kształty są doskonalone przy użyciu programów komputerowych wspomagających projektowanie, tak aby do minimum ograniczyć zawirowania powietrza powstające przy ruchu samochodu. To zmniejsza opór powietrza, na jaki napotyka samochód, i w ten sposób pozwala zmniejszyć zużycie paliwa oraz osiągać większe prędkości. Na biegu Silnik samochodowy wytwarza energię użytkową, gdy wykonuje od 3000 do 5000 obrotów na minutę. Ale koła samochodu, które niosą go po drodze, muszą w najlepszym razie obracać się zaledwie 1000 razy w ciągu każdej minuty. W samochodzie jest więc konieczna skrzynia biegów, obsługiwana albo ręcznie, albo automatycznie. Oba rodzaje skrzyni działają w podobny sposób, przekształcając szybkoobrotowy ruch silnika na ruch o mniejszej liczbie obrotów na minutę, potrzebny kołom pojazdu. Silniki wytwarzają energię użytkową tylko w stosunkowo wąskim zakresie prędkości, koniecznych więc jest kilka przełożeń, aby umożliwić poruszanie się samochodu w szerokim zakresie prędkości. Ręczna skrzynia biegów połączona jest z silnikiem poprzez sprzęgło, co umożliwia odłączenie napędu, w czasie gdy wybiera się nowe przełożenie. Tarcza na kole zamachowym silnika pokryta jest materiałem o wysokim współczynniku tarcia. Silna sprężyna dociska tę tarczę do tarczy o podobnym pokryciu, połączonej z wałkiem skrzyni biegów, przenosząc w ten sposób obroty. Wciśnięcie pedału sprzęgła sprawia, że sprężyna odłącza się od napędzanej tarczy, uwalniając ją i uniemożliwiając przenoszenie obrotów. Automatyczne skrzynie biegów nie mają sprzęgła. Obroty silnika przenoszone są przez przemiennik momentu obrotowego. Nie ma w nim bezpośredniego połączenia pomiędzy wałkami wejścia i wyjścia. Zamiast tego silnik obraca wirnik, który, tłocząc olej, wymusza obroty wirnika turbiny zamocowanej do skrzyni biegów. Sprzęgło hydrauliczne dopuszcza poślizg - gdy elementy o przekroju skrzynkowym wahać. Ukształtowany dla bezpieczeństwa Nadwozie współczesnego samochodu [A] jest konstrukcją skorupową - jego wytrzymałość wynika z kształtu precyzyjnie wykonanych i zespawanych płyt z cienkie] blachy. Fragmenty narażone na działanie największych sil, np. słupki drzwiowe, zrobiono z jeszcze wytrzymalszych elementów o przekroju skrzynkowym, a silnik i zawieszenie zamocowano na oddzielnych ramach pomocniczych. Płyty karoserii z przodu i z tyłu oraz płyta podłogowa są tak zaprojektowane, aby ulegały zgmecemu w zderzeniu. Energia uderzenia powinna być pochłaniana stopniowo, siły działające na pasażerów — zmniejszone. Wzmocnienia boczne dają większą •wytrzymałość narażonym na uszkodzenie bokom samochodu. przednia rama pomocnicza stabilizator -poprzeczny Układ kierowniczy Jednym z najbardziej popularnych typów przedniego zawieszenia jest zawieszenie MacPhersona [B]. Układ resoru i amortyzatora umożliwia ruch pionowy koła, podczas gdy dolny wahacz zapobiega jego ruchowi do przodu i do tyłu. Stabilizator poprzeczny łączy dwie strony układu zawieszenia, aby utrzymać samochód w stosunkowo równej pozycji podczas skręcania. Kierownic dla bezpieczeństwa połączona jest łamaną kolumną z małym kołem przekładni zębatej. Porusza ono w jedną i w dru± stroną listwę zębatą. Polączor z jej końcami drążki kierownicze poprzeczne przenoszą ten ruch na koła. Zobacz takie: Silnik spalinowy wewnętrznego spalania 12 Samochody 16 18 Rafinacja ropy naftowej 186 Prawa przyrody 220 222 224 228 230 236 238 240 242 płyta karoserii Samochody: "kłady 15 części poruszają się z różnymi prędkościami - ale przy większych prędkościach części te mogą być także połączone sztywno w celu osiągnięcia maksymalnej sprawności pracy silnika Biegi mogą być zmieniane albo hydraulicznie, albo - w nowocześniejszych samochodach - za pomocą komputera Kontroluje on prędkość ruchu pojazdu, ustawienie przyspieszacza oraz obciążenie silnika i wybiera najlepszy moment na zmianę przełożenia Utrzymać koła na jezdni Zawieszenie jest jedną z najtrudniejszych do zaprojektowania części samochodu Ma ono za zadanie utrzymanie kół samochodu w styczności z drogą, gdy samochód hamuje, przyspiesza lub skręca Wiele różnych układów przenoszących sprawia, iż koła mogą poruszać się w pionie, me mogą zaś poruszać się do przodu i do tyłu przy hamowaniu czy przyspieszaniu Resory umożliwiają odpowiedni ruch pionowy Jednakże, tak jak wszystkie przedmioty na sprężynach, samochody kołysałyby się długo po przejechaniu wyboju, gdyby me miały amortyzatorów Są to teleskopowe cylindry wypełnione gęstym olejem, który stawia opór gwałtownemu ruchowi Dzięki temu wahania w gorę i w dół są wyhamowywane Typowy meduzy samochód osobowy ma napęd na przedmę koła, które zamocowane są na zawieszeniu MacPhersona Składa się ono z resoru zamontowanego dookoła długiego, tworzącego pionowe połączenie teleskopowego amortyzatora i dolnego wahacza Wierzchołek amortyzatora jest przykręcony do gniazda amortyzatora, specjalnie wzmocnionego fragmentu nadwozia, a ruchom do przodu i do tyłu jego dolnego końca zapobiega układ wahacza Utrzymać właściwą linię Tylne zawieszenie samochodu [C] ma stosunkowo skomplikowane zadanie do wykonania Koniecznych jest wiele rożnych połączeń Z nadwoziem aby utrzymać podczas ruchu prostopadle położenie koła względem drogi Tak naprawdę w nowocześniejszych konstrukcjach podczas skręcania koło jest nachylone lekko do wewnątrz aby umożliwić łagodniejsze prowadzenie Resory zwojowe tłumią ruch samochodu ale same powodowałyby kołysanie się samochodu jeszcze długo po przejechaniu wyboju Zapobiegają temu amortyzatory które stawiając opór tłumią wszystkie gwałtowniejsze ruchy pionowe pojazdu Zmieniając biegi Skrzynia biegów przekształca szybkoobrotowy ruch silnika na ruch koi je dnych o wolniejszych obrotach Każde przełożenie okłada się <, pary koi ^to ko\ ydi ktołc swobodnie obłauijąsię na wałku wejścia i wałku wyjścia wał napędowy mechanizm różnicowy — dopóki me zostaną ścisłe połączone przez sprzęgła kłowe Pierwszy bieg [D] wykorzystuje małe przełożenie na wałku wejścia do obraca na it_h c go koła stożkowego na i ałku wyjścia Przy piątym biegu [E] koła stożkowe na obu wałkach mają podobną wielkość więc wałek wyjścia obraca się znacznie szybciej Ze skrzyni biegów ruch obrotowy przekazywany jest na koła poprzez mechanizm różnicowy dzięki któremu koła mogą obiacac. się z rożną prędkością przy shącamu Gdy samochód jedzie prosto [F] oba wały napędowe obracają się z tą \an ą prędkością Jesh jedno k ł c sr zablokowane [G] przekładnia sto k a hiata się w taki sposób c n uch obrotowy przekazywany jest na koło swobodne 16 Samochody: bezpieczeństwo W jaki sposób samochody umożliwiają uniknięcie wypadków i ich przeżycie Mimo że samochód zrewolucjonizował współczesne życie, stał się również przyczyną wielu tysięcy śmiertelnych wypadków każdego roku. Poruszający się z dużą prędkością samochód jest jak dwutonowy pocisk, który powoduje ogromne zniszczenia, jeśli wymknie się spod kontroli. Konstrukcja pojazdu jest niezwykle mocna i może wytrzymać działanie ogromnych sił, ale ciało ludzkie nie jest tak odporne. Trzeba więc znaleźć sposoby na to, aby zredukować siły działające na nie podczas wypadku. Pasy bezpieczeństwa są tego prostym, a jednocześnie skutecznym przykładem: przekonano się, że stosowanie ich zmniejsza możliwość odniesienia pewnych rodzajów obrażeń o 70%. Typowy samochód osobowy waży około 2 t i może poruszać się z prędkością 150 km/h. Oznacza to, że podczas zderzenia ogromna ilość energii kinetycznej musi zostać w sposób bezpieczny rozproszona, jeśli pasażerowie mają wypadek przeżyć. Systemy bezpieczeństwa pojazdu działają na dwa sposoby. Po pierwsze, sprawiają, iż największą część siły uderzeniowej pochłania konstrukcja samochodu. Po drugie, bezpośrednio przytrzymują i ochraniają ciało pasażera. Stalowa karoseria samochodu jest skonstruowana w ten sposób, aby stopniowo ulegała zgniataniu, gdy samochód zostanie uderzony z przodu lub z tyłu. Gdyby była całkowicie sztywna, w razie zderzenia samochód i jego pasażerowie zatrzymywani byliby właściwie w jednej chwili. Zgniatanie pozwala na wolniejsze obniżanie prędkości, co zmniejsza siły działające na pasażerów. Zawieszenia silnika są tak skonstruowane, aby w razie uderzenia zespół silnikowy wpychany był bezpiecznie pod kabinę pasażerską. Bak paliwowy zaś umieszczony jest w usztywnionym obszarze pomiędzy kołami, gdzie zachodzi mniejsze prawdopodobieństwo jego wybuchu. Zatrzymać się Hamulce samochodowe są urządzeniami hydraulicznymi [A] Wciśnięcie pedału hamulca powoduje ruch pompy głównej. Ciecz hydrauliczna przenosi ten ruch na cylinderki w piastach kot Ponieważ pompa główna ma mniejszą powierzchnią przekroju roboczego niż cylinderki, siła nacisku wywieranego przez stopą staje się większa, zanim dotrze do kół Tylne koła zaopatrzone są w hamulce bębnowe Ciśnienie hydrauliczne w cylinderkach wypycha dwa tłoki na zewnątrz, dociskając klocki hamulcowe do wewnętrznej powierzchni bębna, który obraca się razem z kołem Tarcie spowalnia ruch obrotowy bębna Tylne hamulce można także uruchomić za pośrednictwem układu przewodów (kolor zielony) połączonych z hamulcem ręcznym Masa samochodu jest wyrzucana do przodu w czasie zwalniania, więc silniejsze hamulce montuje się dla kół przednich Są to zwykle hamulce tarczowe różniące się w konstrukcji od tylnych hamulców bębnowych Ciśnienie hydrauliczne Poduszki powietrzne Mimo iż pasy bezpieczeństwa powinny być zawsze zapięte podczas jazdy, poduszki powietrzne (z prawej) dają dodatkową ochronę w razie uderzenia. Mikroprzełączniki reagują na gwałtowne hamowanie i powodują napompowanie poduszek w ciągu jednej setnej sekundy. paf bezpieczeństwa —— pompa główna —— pedał hamulca bęben hamulca klocek hamulcowy wywierane na tłok w zaciskach dociska dwa klocki hamulcowe o wysokim współczynniku tarcia do boków metalowej tarczy, spowalniając jej ruch obrotowy. W samochodach wyposażonych w hamulce przeciwpoślizgowe (ABS) czujniki na każdym kole wysyłają sygnały (kolor czerwony) do skomputeryzowanego układu regulacyjnego Układ ten odpowiednio dobiera ciśnienie hydrauliczne wywierane na każdy Z hamulców (kolor niebieski) układ kontrolny ABS klocki hamulcowe tlok wcisk śi uby mocujące koło tarcza hamulcowa Samochody: bezpieczeństwo 17 Wewnątrz kabiny pasażerskiej występuje wiele innych rozwiązań podyktowanych względami bezpieczeństwa. Deski rozdzielcze i inne wystające powierzchnie pozbawione są ostrych kantów, które mogłyby spowodować obrażenia. Pasy bezpieczeństwa zapobiegaj ą wyrzuceniu pasażerów przez przednią szybę, a zagłówki chronią przed urazami czaszki. Jednakże pas bezpieczeństwa działa skutecznie tylko wtedy, gdy ciasno przypina jadącego do siedzenia. Gdy założy się pas, trudno jest zapewnić jadącemu jego właściwe naprężenie i dopasowanie. Część nowych samochodów wyposażona została w na-pinacze pasów, które reguluj ą napięcie pasa zaraz po jego założeniu, a napinają jeszcze mocniej w wypadku nagłego hamowania, spowodowanego zderzeniem. Poduszki powietrzne, pompowane przez mechanizm reagujący na wstrząs zderzenia, powoli wypuszczają powietrze, gdy uderzy w nie ciało człowieka, sprawiając, iż jego hamowanie jest wówczas stopniowe i mniej niebezpieczne. Zapobieganie wypadkom Samochód wyposażony jest także w mechanizmy, które służą zapobieganiu wypadkom. Auto trzyma się bezpiecznie drogi tylko wtedy, gdy opony mają dobrą przyczepność przez cały czas jazdy. Gdy jezdnia jest oblodzona lub mokra, silne hamowanie może zablokować koła, tak że samochód zaczyna się ślizgać i traci się nad nim kontrolę. Do równie niebezpiecznej sytuacji dochodzi wtedy, gdy zbyt duże obroty zostaną przeniesione na koło - może ono stracić przyczepność i zacząć buksować. Układy hamulców przeciwpoślizgowych i układ przeciwpoślizgowy uruchamiany przy przyspieszaniu służą temu, aby rejestrować i kontrolować zagrożenia, mogące doprowadzić do utraty panowania nad samochodem. Zaplanowana słabość Uderzenie w kolumną kierownicy w czasie wypadku tłumione jest przez poduszkę powietrzną, która wyskakuje ze środkowej części kierownicy w czasie 0,01 s po zderzeniu Jednocześnie ażurowy fragment kierownicy umożliwia jej bezpieczne złamanie Panowanie nad pojazdem w każdych warunkach ABS [B] działa tak, ze ciśnienie hydrauliczne w hamulcach dawkowane jest pułsacyjnie lalka razy na sekundę. W ten sposób hamulce szybko zwalniają się i ponownie zaciskają, co zapobiega powstawaniu poślizgu Układ przeciwpoślizgowy, uruchamiany przy przyspieszaniu, działa w podobny sposób, zapobiegając niebezpiecznemu buksowaniu kół ę na brak oh , [3] spalinowj wewnętrznego spalania 12 Samochody 14 18 Materiały zaawansowane 194 Prawa przyrody 228 236 238 240 242 254 18 Samochody: nowe rozwiązania Jak mogą wyglądać pojazdy przyszłości Stan Kalifornia dał początek pewnej światowej tendencji przez ustanowienie przepisów, według których do 1998 roku 2% wszystkich nowych samochodów powinno być pojazdami o zerowej emisji spalin - samochodami, które nie przyczyniają się w bezpośredni sposób do ogromnych zanieczyszczeń nowoczesnych miast. W 2003 roku liczba ta ma wzrosnąć do 10%. Te czyste pojazdy najprawdopodobniej będą napędzane energią elektryczną, wytwarzaną w różnego rodzaju nowych ogniwach, wykonanych z wysoce reaktywnych metali. Drugim możliwym źródłem energii mogą być niezwykle wydajne ogniwa paliwowe, powstałe w wyniku realizacji amerykańskiego programu kosmicznego. Obecnie większość pojazdów napędzana jest przez jakiś rodzaj silnika spalinowego. Pomimo doskonalenia urządzeń, takich jak katalizatory czy silniki przystosowane do pracy na mieszance ubogiej, służących do zmniejszenia emisji spalin, zanieczyszczenie powietrza spalinami z silników konwencjonalnych jest wciąż rosnącym problemem. Doskonalenie istniejących typów silników, tak aby mogły one sprostać coraz ostrzejszym przepisom, będzie coraz trudniejsze. Z tego powodu wydaje się prawdopodobne, iż pojazdy przyszłości będą napędzane energią elektryczną. Elektryczne samochody osobowe i ciężarówki już jeżdżą po drogach, ale ich możliwości działania są bardzo ograniczone przez zastosowanie w nich akumulatorów kwasowych - typowych akumulatorów samochodowych. Akumulatory te są ciężkie i mogą zmagazynować tylko stosunkowo niewielkie ilości energii, umożliwiając pojazdowi przejechanie około 100 km pomiędzy kolejnymi ładowaniami. Pojazd hybrydowy ma zdecydowanie większy zasięg. Podczas jazdy w mieście napędzany jest silnikami elektrycznymi, pobierającymi prąd z normalnych akumulatorów. Jednak na trasie kierowca może przełączyć pojazd na silnik benzynowy o wysokiej sprawności, który napędza prądnicę, aby ponownie naładować akumulator, a także napędzać silniki elektryczne. Same ogniwa będą konstrukcjami nowego typu. Ogniwa sodowo-siarkowe dorównują swoim działaniem znacznie cięższym akumulatorom kwasowym, ale działają tylko w niebezpiecznej temperaturze około 300°C. Inną możliwością jest ogniwo aluminiowo-powietrzne. Ten rodzaj ogniwa zasadniczo nie nadaje się do ponownego naładowania, ale można „wymienić mu paliwo", po prostu wymieniając jego aluminiową anodę. Najszybciej pod słońcem Napędzany energią słoneczną samochód Sunracer (z prawe}) triumfował w wyścigu przez Australię na trasie liczącej 3000 Im Napędzany byt energią elektryczną wytwarzaną w ogniwach słonecznych pokrywających jego aerodynamiczną górną powierzchnią Ten lekki pojazd przejechał całą trasę wyścigu z prędkościami powyżej 80 km/h Bomba samochodowa Jedna z możliwych konstrukcji samochodu przyszłości [A] wykorzystuje wodorowo-tlenowe ogniwo paliwowe, aby wytwarzać energię elektryczną konieczną do zasilania jego silników elektrycznych Ogniwo paliwowe jest niezwykle wydajnym sposobem uzyskiwania energii z paliwa (patrz ramka), który to sposób pierwotnie został wymyślony na użytek wypraw załogowych w amerykańskim programie kosmicznym Wodór i tlen są substancjami potencjalnie wybuchowymi, a więc jadący samochód musiałby prawdopodobnie uzyskiwać wodór z chemicznego rozkładu metanolu, który jest znacznie bezpieczniejszą substancją jeśli chodzi o przechowywanie go w samochodzie Potrzebny tlen byłby pobielany z powietrza zbiornik wodoru wiązka czujnika odległości • wiązka promieniowania podczerwonego ' Ogniwa paliwowe Konstruktorzy samochodów cały czas poszukują sposobów zwiększenia sprawności paliwa - procentu energii chemicznej w paliwie przekształconej w energię kinetyczną ruchu samochodu. Silnik wysokoprężny ma sprawność około 35%. Ogniwo aluminiowo-powietrzne, ładowane z domowego źródła prądu, ma sprawność nie większą niż 50%. Największą jednak sprawność - wyższą niż 70% -dają ogniwa paliwowe. Podobnie jak zwykłe ogniwa, wykorzystują one reakcję chemiczną, aby bezpośrednio wytwarzać energię elektryczną. Tak jak w silniku, sub-straty reakcji muszą być stale dostarczane. Większość tego typu urządzeń wykorzystuje reakcję pomiędzy wodorem i tlenem, która to reakcja w otwartej przestrzeni może być bardzo niebezpieczna. Jednakże w ogniwie paliwowym proces ten zachodzi w sposób zdecydowanie bardziej kontrolowany, jako proces pomiędzy jonami rozpuszczonymi w ciekłym elektrolicie. dopływ tlenti Wytwarzanie wody Ogniwo paliwowe składa się z węglowej anody i węglowe/ katody, zanurzonych w elektrolicie Obie elektrody zawierają platynę, która działa jako katalizator, rozbijając cząsteczki tlenu na atomy, gdy gaz przepływa obok katody Tu tlen podczas łączenia się z wodą wchłania elektrony, tworząc jony wodorotlenku W tym samym czasie wodór oddaje elektrony przy anodzie, łącząc się z wodorotlenkiem n procesie powstawania wody Prąd, który przepływa pomiędzy elektrodami, wykorzystywany jest do napędzania silnika Zobacz także Silnik spalinowy wewnętrznego spalania 12 Samochody 14 16 Samoloty: układy 28 Odnawialne źródła energii: Słońce i wiatr 112 Prawa przyrody 234 238 246 254 Samochody: nowe rozwiązania 19 OBe sterowanie *c"* <.=? pojazdu od pojazdu jadącego czujnikom, komputer każdego po m sterować i, utrzymując łączność ^n\rm samochodami, tworzyć „po- -jizające się z dużą prędkością po „dach Dzięki możliwości utrzymy-dległosci pomiędzy samochodami drogowa mogłaby być wykorzysta- pompa hydrauliczna cylinder hydrauliczny 1—aktywne zawieszenie Energia przy każdym obrocie Silniki dwusuwowe marnują dużo oleju t są hałaśliwe * Jednakże ich wysoka sprawność paliwowa sprawia ze bada one atrakcyjnymi źródłami energii w przyszłości Ulepszony model [D] ma cykl który może być rozłożony na cztery etapy Powietrze jest wpompowywane do cylindra gdy tłok się unosi a przez wtryskiwacz dodawana jest dawka paliwa [1] Mieszanka paliwowo powietrzna jest dalej sprężana [2] dopóki tłok nie osiągnie górnej pozycji suwu wtedy iskra zapala mieszanką [3] Gorące gazy spalinowe poruszają tłok w dół obracając wał korbowy a następnie są przedmuchiwane [4] wyrzucane z zaworu wydechowego przez powietrze wpompowywane przez wlot Nowe sposoby wytwarzania energii Samochód przyszłości [A] może wykorzystywać napęd hybrydowy uzyskując energię elektryczną z prądnicy napędzanej silnikiem dwusuwowym o wysokiej sprawności albo z zespołu ogniw sodowo siarkowych Każde ogniwo zawiera koncentrycznie ułożone warstwy sodu aluminium i siarki [C] Gdy atomy sodu [1] dyfundują w warstwę aluminium [4] oddają elektrony [2] które wpływają do anody Atomy siarki [3] pobierają elektrony Z metalowej katody i łączą się Z jonami sodu tworząc siarczek sodowy Napięcie pomiędzy anodą a katodą, wytwarzające się w tym procesie może być wykorzystane do napędzania niewielkich silników w piastach obu przednich kół Samochód może hamować poprzez hamowanie odzyskowe silniki działająjako prądnice przekształcając energię ruchu z powrotem w energię elektryczną, która jest magazynowana ponownie w akumulatorach [B] Jazda staje się łagodniejsza dzięki aktywnemu zawieszeniu hydraulicznie kontrolowanemu przez komputer Połączoną kontrolę nad hamowaniem przyspieszaniem i kierowaniem pojazdem sprawuje się za pomocą jedne go drążka Obok przednich świateł samochód ma światła na podczerwień noktowizyjna kamera zbiera odbite promieniowanie podczerwone i wyświetla obraz noktowizyjny na ekranie refleksyjnym z przodu kierowcy Druga wiązka podczerwieni mierzy odległość do pojazdu jadącego z przodu 20 Pociągi Jak ekspresy przybliżają kontynenty Każdego dnia pociągi Eurostar odjeżdżają z Londynu, a każdy z nich przewozi 800 pasażerów do Paryża lub Brukseli zaledwie w 3 godziny. Pociągi te, jeżdżące po trzech oddzielnych sieciach połączeń szynowych, należą do najszybszych i najnowocześniejszych, jakie kiedykolwiek zbudowano. 12 silników elektrycznych pociągu Eurostar wytwarza ponad 12 000 kilowatów mocy pociągowej, koniecznej, aby ruszyć pociąg o długości 400 m i ważący 8161. Skomplikowane systemy kontroli i bezpieczeństwa tego pociągu sprawiają, że jeden maszynista jest w stanie poprowadzić go od miasta do miasta. Ekspresowe pociągi pasażerskie ostatniej generacji ciągnięte są przez nowoczesne lokomotywy elektryczne, które czerpią energię elektryczną z naziemnych linii wysokonapięciowych lub szyn znajdujących się pod napięciem. Na tych obszarach, gdzie budowa linii wysokiego napięcia jest trudna lub nieopłacalna, stosowane są lokomotywy z silnikami dieslowsko-elektryczny-mi. Ich podstawowe źródło energii to silnik wysokoprężny, podłączony do prądnicy. Wytwarzany w ten sposób prąd jest kierowany do silników zamontowanych w wózkach silnikowych. (Koła lokomotywy lub wagonu nie są bezpośrednio połączone z jego nadwoziem, ale zostały zamontowane w oddzielnie resorowanych podwoziach, czyli wózkach przegubowych. Wózki te izolują przedziały pasażerskie od wibracji kół i tworzą przeguby umożliwiające zakręcanie). linia zasilająca ' transformator' silnik prądu zmiennego kabina maszynisty Przekraczanie granic Eurostar to pociąg elektryczny, następca jeżdżącego z prędkością 300 km/h francuskiego Traina Grandę Vitesse (TGV), który jest w użytkowaniu od 1981 roku. Specjalnie przygotowany pociąg TGV ustanowił światowy rekord prędkości pociągu pasażerskiego, wynoszący 515 km/h. Pociąg ten jest w stanie rozwijać takie prędkości dzięki swemu opływowemu kształtowi i lekkiej, przegubowej konstrukcji. Normalne pociągi mają 2 wózki w każdym wagonie, po jednym na każdym końcu. Zamiast tego w pociągach TGV zamontowano jeden wózek na każdą parę sąsiadujących wagonów (wyjąwszy z tego wagony silnikowe), co likwiduje o połowę liczbę wózków w jednym pociągu. Pozwala to na zmniejszenie ciężaru każdego wagonu o prawie 5 t. Aby powstał pociąg Eurostar, w nadwoziu i układach zasilania standardowego pociągu TGV trzeba było wprowadzić istotne zmiany. Po pierwsze, pociąg TGV należało „wyszczuplić", chcąc dopasować go do niższej brytyjskiej skrajni taboru - maksymalnej dopuszczalnej wysokości i szerokości taboru. Po drugie, pociąg musiał zostać wyposażony w dodatkowe urządzenia, zwiększające bezpieczeństwo podróży tunelem pod kanałem La Manche; najważniejszym z nich jest możliwość rozłączenia pociągu pośrodku, tak aby w razie niebezpieczeństwa dwie połowy mogły być wyciągnięte z tunelu z dwóch stron. Po trzecie, zmodyfikowane są układy napędzania pociągu. Niezależnie od tego, iż wszystkie trasy, którymi pociąg jeździ, są zelektryfikowane, rodzaj dostarczanej energii jest w różnych krajach różny. We Francji i na trasie przez tunel prąd zmienny o napięciu 25 kV przesyła się liniami naziemnymi. Prąd ten jest pobierany poprzez składany odbie-rak zwany pantografem. Belgia również ma linie naziemne, ale przenoszą one prąd stały o napięciu 3 kV. W Anglii stosuje się prąd stały o napięciu 750 kV, przesyłany za pomocą trzeciej szyny. Aby móc funkcjonować przy wszystkich tych rodzajach zasilania, pociąg Eurostar wyposażono w dwa pantografy oraz umieszczono obok kół zespół odbieraków łyżwowych, przeznaczonych do pobierania prądu z trzeciej szyny. Zjednoczyć Europę Energia elektryczna napędzająca pociąg Eurostar [A] poddawana jest kilkakrotnym przekształceniom, zanim w końcu dotrze do silników. Przez większość czasu pantograf pobiera prąd zmienny o napięciu 25 kV z naziemnej łańcuchowej sieci jezdnej. Krzemowe diody i tyrystory wewnątrz przemiennika prądu stałego zamieniają ten prąd w prąd stafy o napięciu 1800 V, który jest przekazywany do 3 bloków silnikowych f po jednym w każdym wózku silnikowym -2 wózki w każdej lokomot\wie i l w pierwszym wagonie). Bloki silnikowe to skrzynki pelne elektronicznych urządzeń energetycznych, które ponownie przekształcają prąd stały na prąd zmienny, ale o częstotliwości odpowiadającej prędkości obrotów silników. Energia na wyjściu zmieniana Pociągi Eurostar są odwracalne - każda z dwóch lokomotyw na obu końcach pociągu może ciągnąć pociąg składający się z 18 wagonów. Wszystkie układy łącznie z klimatyzacją, drzwiami (uruchamianymi mechanicznie) i hamulcami w każdym wagonie są kontrolowane centralnie za pośrednictwem optycznej magistrali danych - cyfrowej szyny danych biegnącej przez cały pociąg. Zatrzymać się Od tego, jak pociąg jest napędzany, jeszcze ważniejsze okazuje się, jak jest zatrzymywany. Pociąg Eurostar ma dwa uzupełniające się układy hamulców. Układ hamulców oporowych wykorzystuje silniki pociągu jako prądnice, które zamieniają energią kinetyczną poruszającego się pociągu w prąd elektryczny. Prąd ten następnie przepływa przez duże oporniki, czyli reostaty, gdzie zamieniany jest na energię cieplną. Przy niższych prędkościach hamulce oporowe wspomagane są silnymi hamulcami tarczowymi, składającymi się z 4 tarcz na każdym wale osiowym. Komputery znajdujące się w każdym wagonie automatycznie łączą obydwa rodzaje siły hamującej. odbieraki fyzwowe jest poprzez zmienianie napięcia prądu dostarczane^ do każdego silnika. Drugi pantograf potrzebny jest do odbierania belgijskiego prąc stałego o napięciu 3 kV, któi to prąd jest przesyłany bezpośrednio do bloków silnikowych, tak jak dzieje si to również w wypadku prądi stałego o napięciu 750 kV, odbieranego za pomocą odbieraków łyżwowych z trzeciej szyny w Anglii. Elektrownia na kolkach Lokomotywę o napędzie dieslowsko-elektrycznym, taki jak stosowana przez brytyjski Inter-City 125 [B], stosuje si$ tam, gdzie zelektryfikowanie i kolejowej nie jest łatwe. W ta lokomotywie 12-cylindrowy s wysokoprężny z turbodolado\ niem spala olej napędowy i r pędza prądnicę prądu zmieni o dużej wydajności. W odróż niu od pociągu Eurostar, poć Inter-City 125 ma silniki prąt stałego, musi więc mieć pros townik przekształcający prąa zmienny w prąd stary. Silniki i łączące je z kołami skrzynie biegów zamontowane są w w kach lokomotywy. Układ diet lowsko-elektryczny umożliwit pracę silników z ich najwyda niejszą i wytwarzającą najmi sze zanieczyszczenia prędkos wtedy gdy konieczna jest największa ilość energii, czyi gdy pociąg rusza ze stacji. Zobacz także: Silnik spalinowy wewnętrznego spalania 12 Systemy kolejowe 22 Przesyłanie energii elektrycznej 116 Prawa przyrody 236 238 240 246 248 250 Wyścigi po szynach Nowa generacja pociągów ekspresowych przyczyniła się do osiągania bardzo dużych średnich prędkości podroży [D] Francuski pociąg TGV Allantiąue [1] osiąga na niektórych trasach średnią prędkość powyżej 245 km/h Japońskie pociągi rakiety to pierwsze superszybhe pociągi Najnowszy pociąg Nozomi [2] osiąga na trasach średnią prędkość 230 km/h Najszybsze przejazdy hiszpańskiego pociągu AVE [3] a także niemieckiego ICE [4] są nieco wolniejsze Pociągi TGV AVE i Eurostar mogą osiągać ogromne prędkości dzięki lekkości wózków przegubowych o zawieszeniu pneumatycznym łączących ze sobą sąsiadujące wagony —— i unik prądu stałego wentylator} chłodmce Przechylająca siła (u dołu Z lewej) W miarę jak pociągi stają się coraz szybsze wzrastają sity odśrodkowe działające na pasażerów podczas skręcania Jednym z rozwiązań zastosowanym we włoskim pociągu Superpendohno jest hydrauliczne przechylanie wagonów pociągu podczas pokonywania zakrętu co znacznie zmniejsza odczuwane działanie sił odśrodkowych zawieszenie pneumatyczne 22 Systemy kolejowe Jak się kontroluje jazdę pociągu Ogromna liczba pasażerów, jaką musi przewieźć współczesna kolej, wymusza częsty i szybki ruch pociągów. Dla przykładu, na francuskiej linii TGV Nord pociągi poruszające się z prędkością ponad 300 km/h jeżdżą zaledwie w trzyminutowych odstępach. Tylko złożony system sygnalizacyjny może sprawić, iż pociągi, których droga hamowania wynosi nawet kilka kilometrów, będą znajdowały się w bezpiecznej odległości od siebie. Prawie wszystkie takie systemy polegają na ciągłym przesyłaniu sygnałów elektrycznych, które przebiegają wzdłuż szyn, reagują na pojawienie się pociągu i stale informują maszynistę o niebezpieczeństwach znajdujących się przed nim. Zadaniem systemu sygnalizacyjnego jest utrzymanie bezpiecznej odległości pomiędzy pociągami. Na pierwszych lunach kolejowych osiągano ten cel, po prostu zatrzymując pociąg na stacji przez określony czas od odjazdu poprzedniego pociągu. Na szczęście współczesne systemy nie niosą takiego ryzyka. Tor podzielony jest na sektory - obszary, do których pociąg nie może wjechać, jeśli znajduje się na nich inny pociąg. Sygnały, takie jak światła znajdujących się przy torze semaforów, wskazują maszyniście, jak ma postępować. Obok czerwonego światła nakazującego zatrzymanie się, oraz światła zielonego informującego o tym, iż droga jest wolna, pojawiają się także pojedyncze i podwójne żółte światła ostrzegawcze, nakazujące zmniejszenie prędkości. Francuski pociąg Traina Grandę Yitesse (TGV) jedzie tak szybko, iż maszynista z łatwością mógłby przeoczyć znaki znajdujące się przy torze. Dlatego też dopuszczalne prędkości maksymalne w sektorze aktualnym oraz w sektorach następnych wyświetlane są wewnątrz kabiny. Pociągi odbieraj ą polecenia albo z transponderów -nadajników radiowych umieszczonych pod torami, albo poprzez sygnały elektryczne przesyłane samym torem. Rozrząd wagonów towarowych Wagony pociągu towarowego mogą wyjeżdżać z tej samej stacji, ale ich stacje docelowe mogą być różne Ustawiane są one we właściwej kolejności na stacji rozrządowej z górką rozrządową [B] Lokomotywa pcha grupą rozłączonych wagonów na szczyt górki rozrządowej Na jej szczycie czytnik odczytuje kod kreskowy na bocznej ścianie każdego wagonu, aby ustalić jego stacją docelową Wagon stacza się z górki i jest automatycznie kierowany, poprzez serią zwrotnic, na jedną z wielu bocznic, gdzie lączy się pociąg do dane] stacji docelowej Ponieważ każdy wagon stacza ą z górki z inną prędkością, prędkość ta jest monitorowana i kontrolowana przez system hamulców torowych, rozmieszczonych na torze Rozstaw standardowy Dwie szyny, które tworzą tor, muszą zachowywać stalą odległość od siebie {stały prześwit toruj, zwykle jest to 1435,1 mm [C] Każdy wał osiowy wywiera na szyny wielotonowy nacisk, więc spawany tor musi w określony sposób „poddawaćsię" temu naciskowi, mieć określoną sprężystość Tradycyjnie uzyskiwano ją dzięki żwirowej podsypce, ale tor współczesny przykręcony jest do betonowyc podkładów, które z kolei zamocowane są w jeszcze potężniejszym betonowym łożu Porowata mata pomiędzy podkładami a szynami daje sprężystość i łącznie z plastikowymi zaciskami sprawia, ze szyny są izolowant elektrycznie szyna Zmiana trasy Pociąg zmienia tor, po którym się porusza, na serii zwrotnic [A] Dwie szyny obrotowe przesuwają się i kierują pociąg na właściwą trasę Poddana bardzo silnym naciskom krzyzownica w punkcie przecięcia wykonana jest z wytrzymałej stali manganowej Dzięki temu, ze lot samolotów wolny jest od działania tarcia powierzchniowego, mogą one poruszać się znacznie szybciej niż naziemne środki transportu. Podobnie za pomocą elektromagnesów można sprawić, iż pociąg, utrzymywany tuz nad torem, zacznie „kwitować" i wówczas będzie się on mógł poruszać z ogromnymi prędkościami prawie bez tarcia. Takie magnetycznie kwitujące pociągi działają na bardzo prostej zasadzie - masa pociągu jest utrzymywana poprzez siły odpychające pomiędzy takimi samymi biegunami dwóch układów magnesów, z których jeden znajduje się w pociągu, drugi zaś w torze. Siła ta wzrasta, gdy bieguny zbliżają się do siebie, dzięki czemu różnice masy nie powodują utrudnień w ruchu. Lewitujący magnetycznie pociąg me ma kół, które dawałyby siłę pociągową, przemieszczającą go dc przodu. Zamiast tego napędzany jest silnikiem liniowym. Działa on tak jak normalny silnik elektryczny którego uzwojenie cylindryczne zostało rozcięte i rozłożone płasko na torze. Zobacz tahe Pociągi 20 Komputery: sieci 82 Przesyłanie energii elektrycznej 116 Systemy kolejowe 2 3 —— transpondery (sygnalów . -.c/i i wychodzących Sygnały radiowe Na niektórych liniach informacja sygnalizacyjna przekazywana je st maszyniście za pomocą transponderów znajdujących się. na torze lub pod mm [D] Gdy pociąg przejeżdża nad transponderem, emituje sygnał radiowy, który „przesłuchuje" transpondery Odpowiadają one, wysyłając cyfrowo zakodowaną informacją, dotyczącą granicy prędkości obowiązującej na danym fragmencie toru, warunków na torze z przodu oraz odległości do następnego transpondera Informacje te są dekodowane przez komputer wyświetlane w kabinie maszynisty W niektórych sieciach metra transpondery wykorzystywane są do całkowicie automatycznej kontroli pociągów Przerywacze obwodów Obecność pociągu w danym sektorze toru wykrywana jest za pomocą obwodu torowego [E] W swej najprostszej formie jest to ogniwo połączone pomiądzy dwiema szynami Prąd przepływa od jednej szyny do drugiej przez przekaźnik torowy połączony z systemem sygnalizacyjnym Gdy pociąg wjeżdża do sektora, jego metalowe koła l oś zwierają obwód, co powoduje zmianę drogi przepływu prądu i odcięcie jego dopływu do przekaźnika Przekaźnik torowy reaguje na brak przepływu prądu i wysyła sygnał, aby na początku sektora zapaliło się światło czerwone Na kolejnych semaforach, poprzedzających semafor na początku sektora, włącza sią odpowiednio świath zielone, podwójne światło żółte i światło żółte, a zadaniem tvch świateł jest ostrzeganie nadjeżdżających pociągów o grożącym im niebezpieczeństwie. Automatyczne bezpieczeństwo Na zautomatyzowanej trasie kolejowej komputery mają trojakiego rodzaju zadania sygnalizacyjne: chronią, obsługują i kontrolują. System automatycznego zabezpieczenia pociągów utrzymuje je w bezpiecznej odległości od siebie. Wykorzystując obwody torowe - niewielkie obwody elektryczne służące do powiadamiania o wjechaniu pociągu do danego sektora - komputery sygnalizacyjne mogą zapalić czerwone światło na semaforze znajdującym się tuż za tym pociągiem. Zwrotnice i sygnały, które kierują i kontrolują pociągi, obsługiwane są przez nastawnicę. W dawnych nastawniach rolę nastawnicy spełniał układ śrub zapobiegających przesunięciu przez nastawmczego tych dźwigni, które mogłyby wpuścić pociąg na niebezpieczny tor. Obecnie to samo zadanie wykonywane jest przez mikroprocesory w nastawnicy elektronicznej. W pamięci komputera zapisane są wszystkie możliwe kombinacje sygnałów świetlnych i położeń zwrotnic na pewnym odcinku toru, a komputer wybiera spośród nich tylko kombinacje bezpieczne. Ze względów bezpieczeństwa nastawnica elektroniczna wykorzystuje jednocześnie trzy mikroprocesory. Jeśli jeden mikroprocesor nie zgadza się z pozostałymi dwoma, zakłada się, że urządzenie uległo awarii i wyłącza sieje. Elektroniczne informacje przesyłane przez szyny lub transpondery mogą być wykorzystywane do kontrolowania prędkości pociągu. W wersji prostej w kabinie maszynisty odzywa się sygnał dźwiękowy za każdym razem, gdy pociąg mija żółte światło. Jeśli przyjęcie tego sygnału me zostanie potwierdzone przyciśnięciem odpowiedniego guzika, hamulce są uruchamiane automatycznie natychmiast, gdy pociąg minie czerwone światło. Bardziej skomplikowane systemy w pełni sterują ruchem pociągu. Gdy pociąg wjeżdża w sektor obwodu torowego, otrzymuje dwie informacje, precyzujące maksymalne prędkości w tym i w następnym sektorze. Jeśli tor z przodu jest wolny, system kontrolny umożliwia jazdę pociągu ze stałą, prędkością. Ale jeżeli pociąg z przodu jedzie wolniej, dla następnego sektora ustalana jest mniejsza prędkość i pociąg hamuje automatycznie. Na stacjach system płynnie zatrzymuje pociąg. » ten to. która L lągll Prawdziwy lewitujący magnetycznie pociąg, jak na przykład niemiecki Transrapid, ma nieco inną konstrukcją elektromagnesy umieszczone są w uchwytach zawieszonych pod pociągiem [4, 5] : 194 Prawa przyrody 238 240 246 248 250 252 254 256 24 Silniki odrzutowe Jak pracuje silnik odrzutowy Współczesne silniki odrzutowe są najsprawniejszymi źródłami energii, jakie dotychczas wynaleziono. Ważąc około 51, mogą dać odrzut o sile do 500 000 niutonów - co wystarcza, aby podnieść pionowo ciało o masie własnej 501. Silnik odrzutowy zrewolucjonizował poruszanie się w powietrzu, pozwalając samolotom latać szybciej, wyżej i ekonomiczniej, niż było to możliwe przedtem. Jednakże silniki odrzutowe, znane także jako turbiny gazowe, mają również inne, mniej oczywiste zastosowania: obracają śruby okrętów wojennych, napędzają pociągi i poduszkowce oraz maszyny przemysłowe, takie jak wysokoobrotowe urządzenia wiertnicze i pompy. Od czasu pierwszego lotu odrzutowca - niemieckiego samolotu Heinkel HE-178 - stale udoskonalano silnik odrzutowy. Obecnie prawie wszystkie samoloty cywilne i wojskowe napędzane są przez nowoczesne odmiany silnika odrzutowego. Silnik odrzutowy, podobnie jak silnik samochodowy, jest silnikiem spalinowym wewnętrznego spalania, w którym spalana jest mieszanka powietrza i zgazowanego paliwa. Wraz ze wzrostem temperatury gwałtownie wzrasta objętość mieszanki gazowej, powstałej w wyniku spalania. Ta gorąca mieszanka wykorzystywana jest do użytecznej pracy. W samochodzie porusza grupę tłoków połączonych z wałem korbowym, który z kolei obraca koła. Natomiast silnik odrzutowy wykorzystuje energię spalania do pracy w sposób bardziej bezpośredni. Zwiększający swą objętość gaz przepychany jest przez dyszę, gdzie jest przyspieszany, a następnie wyrzucany z ogromną prędkością (zwykle powyżej 2000 km/h) z tyłu silnika. Gdy cząsteczki gazu pod ciśnieniem są przyspieszane i wyrzucane do tyłu przez dyszę spalinową, działają na wewnętrzne ściany silnika siłą równą i skierowaną przeciwnie do siły, z jaką są wyrzucane. Siła ta, zwana odrzutem, jest przenoszona przez obudowę silnika na kadłub i skrzydła: to ona pcha samolot do przodu. Odrzut pozwalający latać Odrzut to po prostu masa gazu wyrzucanego z silnika pomnożona przez jego przyspieszenie. Oznacza to, iż ten sam odrzut uzyskiwany jest przez przyspieszenie ogromnej ilości gazu do średniej prędkości oraz przez przyspieszenie mniejszej ilości gazu do większej prędkości. Silniki, które powodują duże przyspieszanie gazu, pracują w wysokich temperaturach i powodują ogromny hałas. W dawnych samolotach odrzutowych stosowany był silnik turboodrzutowy, ale większość współczesnych samolotów cywilnych napędzana jest przez silniki turbinowe dwuprzeptywowe, które przyspieszają większą ilość gazu do mniejszych prędkości, dzięki czemu są cichsze i zużywają mniej paliwa. Inżynieria silników odrzutowych Prosty silnik turboodrzutowy ma trzy główne części: sprężarkę z przodu, komorę spalania w środku oraz turbinę z tyłu. Sprężarka, która składa się z obracających się płatowych łopatek, działa jak ogromny szybkoobrotowy wentylator. Zasysa ona powietrze do silnika i tłoczy je przez stopniowo zwężającą się osłonę pierścieniową, sprężając powietrze przed wtłoczeniem do komory spalania do objętości mniejszej niż jedna dziesiąta objętości pierwotnej. Ponieważ powietrze jest pod ciśnieniem, paliwo spala się szybciej, co w rezultacie daje większą moc i sprawność. W komorze spalania powietrze miesza się ze zgazowaną naftą i ta mieszanka paliwowo-powietrzna jest zapalana. Konstrukcja silnika turboodrzutowego Powietrze zasysane do silnika turboodrzutowego [A] sprężane jest do ciśnienia 10 atmosfer za pomocą rzędów szybko wirujących łopatek i wtłaczane do komory spalania, gdzie wtryskiwane zostaje paliwo i trwa ciągłe spalanie Powstały w ten sposób gorący gaz przepływa przez zestawy łopatek turbinowych, połączonych za pomocą osi ze sprężarkami z przodu Połączenie sprężarek, osi i turbin zwane jest szpulą Przepływając przez każdy zestaw łopatek sprężarkowych czy turbinowych, powietrze jest zawirowywane Nieruchome łopatki, czyli kierownice [B] oddzielające każde dwa zestawy ruchomych łopatek, „prostują" strumień powietrza, minimalizując w ten sposób wiroprądy, które zmniejszałyby sprawność silnika Temperatura gazu w komorze wzrasta do temp ratury wyższej niż 1400°C. Gorąca mieszanka p większa swoją objętość, zwiększając jednocześr prędkość podczas wypychania poza silnik. Zam gazy spalinowe zostaną wydalone, ułamek ich ene gii kinetycznej jest zużywany do napędzania turbii łopatkowej. Turbina połączona została wałem sprężarką, dzięki czemu sprężarka może obracać s z dużą prędkością, konieczną do sprężania zasysar go powietrza. W silniku turboodrzutowym pozostała część ent gii kinetycznej zamienia się w odrzut; w odmiai silnika turboodrzutowego zwanej silnikiem turb śmigłowym, dodatkowy zestaw turbin wykorzysti większość tej energii, aby napędzać wał połączo za pośrednictwem przekładni redukcyjnej ze śn głem. Silniki turbośmigłowe są szczególnie spraw przy niższych prędkościach i często napędzają sarr loty służące do przewozów na małe odległoś W przemysłowych turbinach gazowych wał napęc wy obraca prądnicę, koronkę wiertniczą lub pomp sprężarka r-J\ łopatki kierownicy ruchome lopatki sprężarki s s ^ \ przepływ powietrza \ \ \ \ kierownica sprężarka komora spalania Start pionowy (z prawej) W samolocie myśliwskim Harner wysoki stosunek siły ciągu silnika odrzutowego d\ ciężaru umożliwia pionowy start, dzięki czemu zbędny st się pas startowy Odrzut uzyskiwany jest w wyniku czterech obracających się dy które przy pionowym starcie i lądowaniu skierowane są w dół, a przy locie poziomyr do tylu Zobacz także Silnik spalinowy wewnętrznego spalania 12 Samoloty: układy 28 Helikoptery 30 Statki 36 Poduszkowce i wodoloty 34 Obróbka metali 190 25 'trnne przyspieszone powietrze Silniki turbinowe dwuprzepływowe Większość współczesnych samolotów komunikacyjnych napędzanych jest dwoma trzema lub czterema silnikami turbinowymi dwuprzepfywowymi które zamocowane są zwykle pod skrzydłami [C] Silnik turbinowy dwuprzepływowy [D] to zasadniczo tradycyjny silnik turboodrzutowy wyposażony v dodatkowy zestaw łopatek Turbinowych ruch obrotowy dodatkowej turbiny wykorzystywany jest do obracania ogromnego wentylatora Podobnie jak w silniku turboodrzutowym powietrze jest zasysane do silnika Zanim powietrze dostanie się do komory spalania dwa obracające się zestawy łopatek sprężarkowych [l 2] spręzająje do ciśnienia 30 atmosfer [3] Gorąca zwiększająca swą objętość mieszanka gazów spalinowych wyrzucana jest z komory spalania przez trzy zestawy łopatek turbinowych [4 5 6] G następnie przez dysze z tylu silnika Pierwszy zestaw turbin (kolor pomarańczowy) obracany jest przez gazy spalinowe o bardzo wysokiej temperaturze i ciśnieniu Turbiny o małych łopatkach obracane są z ogromną prędkością Ich ruch przenoszony zostaje przez os na wysokociśnieniowe sprężarki o małych łopatkach znajdujące się przed komorą spalania Drugi zestaw turbin o większych łopatkach (kolor brązowy) obraca się wolniej Jego ruch przenoszony jest na sprężarki o niższym ciśnieniu Trzeci zestaw turbin (kolor żółty) ma jeszcze wie, łopatki Czerpią one energię ze strumienia powietrza już o niższym ciśnieniu i przekazują ją przez os do ogromnego wentylatora Z przodu silnika [7] Wentylator obraca się wewnątrz szerokiej osłony pierścieniowej Powietrze zasysane i wyrzucane przez wentylator do tyłu daje więcej mz trzy czwarte całościowego odrzutu silnika Źródłem pozostałej części odrzutu jest gorące powietrze przepychane przez rdzeń silnika Ponieważ większą część odrzutu daje duża dość zimnego powietrza przyspieszanego przez wentylator me zaś mała dość gorącego gazu przyspieszanego w ruchu przez rdzeń silnika silnik turbinowy dwuprzepływowy jest cickszy i sprawniejszy niż normalny silnik turboodrzutowy Materiały zaawansowane 194 Prawa przyrody 224 234 238 240 26 Samoloty: aerodynamika Jak lata samolot Latanie zawsze wywierało ogromny wpływ na ludzką wyobraźnią. Jednakże dopiero na początku XX wieku umiejętności techniczne pionierów lotnictwa dorosły do ich marzeń. Dziąki połączeniu wiedzy o prawach aerodynamiki z nowym urządzeniem napędowym lekkiej konstrukcji bracia Wright zbudowali Flyera. Zasady aeronautyki wyznaczone w czasie jego 12-sekundowego pionierskiego lotu 17 grudnia 1903 roku w równym stopniu stosują się do dzisiejszych ogromnych samolotów pasażerskich, które jednorazowo mogą przewieźć przez Atlantyk ponad 400 pasażerów. Aby samolot mógł utrzymać się w powietrzu, musi nań działać skierowana do góry siła zwana silą nośną, równa ciężarowi samolotu bądź większa od niego Wszystkie maszyny latające cięższe niż powietrze uzyskują swą siłę nośną dzięki siłom aerodynamicznym, powstającym podczas przepływu powietrza wokół ich powierzchni nośnych, czyli płatów Skrzydła samolotu i jego statecznik poziomy są płatami, podobnie jak wirniki helikoptera Płat wytwarza siłę nośną, kierując przepływem powietrza dookoła siebie w taki sposób, ze nad jego górną powierzchnią powstaje obszar ciśnienia niższego mz to, które panuje pod jego dolną powierzchnią W ten sposób skrzydło jest jednocześnie pchane i „zasysane" w górę Choć wiele kształtów geometrycznych może wytwarzać siłę nośną w ten sposób, płat skonstruowany jest specjalnie tak, aby ją zmaksymalizować, minimalizując jednocześnie opór, czyli siłę, która spowalnia ruch samolotu w powietrzu W czasie lotu powietrze zderza się z krawędzią natarcia skrzydła samolotu z prędkością kilkuset kilometrów na godzinę Część strugi powietrza przepływa nad stromo sklepioną górną powierzchnią skrzydła, podczas gdy reszta kierowana jest dookoła jego bar urządzenie przeciwoblodzeniowe krawędzi natarcia Odchylanie, pochylanie i przechylanie samolotu Pilot steruje samolotem poruszając klapami które zmieniają kształt jego płatów -skrzydeł stateczników poziomych i steru kierunku -i co za tym idzie - wielkość siły nośnej wytwarzanej prze^, każdy z nich Ruch w lewo i w prawo czyli odchylenie [A] kontroluje się za pomocą steru kierunku (kolor fioletowy) na stateczniku Gdy ster kierunku odchylany jest w lewo samolot skręca w lewo Pochylenie [B] zmieniane jest poprzez odchylanie sterów wysokości (kolor zielony) przytwierdzonych do zbiorniki paliwa stateczników poziomych Odchylenie steru wysokości w górą zmniejsza silą nośną wytwarzaną przez ogon ogon opada i dziob samolotu wypychany jest w gorę I odwrotnie gdy sten wysokości odchylone są H dół tyt samolotu unosi się Samolot obraca się wokół s\\ ojej osi podłużnej dzięki odchylaniu fragmentów skrzydeł zwan\c h lotkami (kolorpomarańczowa) W wyniku podniesienia lotki na prawym skrzydle i obniżenia lotki na skrzydle lewym siła nośna wytwarzana na skrzydle lewym staje się większa mz na prawym i samolot jest przewracany w prawo przerywacze lotka szybkobieżna klapy kn spływu klapa zamknięta podwozie samolotu Zobac taLe Samoloty układy 28 Helikoptery 30 Poduszkowce i wodoloty 34 Rakiety 162 Prom kosmiczny lot 164 Prawa przyrodydy 230 236 238 Samoloty: aerodynamika 27 przepływ powietrza przebiega bez zaburzeń' silą nośna jest duża, opór zaś maty Przy małej prędkości pilot zwiększa siłę nośną, zwiększając kąt nachylenia skrzydeł w stosunku do opływającego je powietrza Poniżej pewnej prędkości wiatru zaburzony jest przepływ powietrza i powstają wiry. Przy takiej prędkości przeciągnięcia następuje utrata siły nośnej aby zapanować ponownie nad samolotem, pilot mun zareagować natychmiast ^molotem -^burzanie o [F] Ukształtowany do lotu Skrzydło samolotu [DJ jest odchylone do tyłu pod katem około 35°, co minimalizuje turbulencję (a przez to opór) przy dużych prędkościach Konstrukcja o strukturze plastra miodu, składająca się z dźwigarów i żeber, daje skrzydłu wytrzymałość, jednocześnie lekkość i sprężystość „Komory" pomię dzy zebrami a dźwigarami zawierają paliwo Pozostałe części stanowią obudowę zespołu podwozia samolotu oraz przewodów hydraulicznego układu sterowania Kanał na krawędzi natarcia doprowadza gorące powietrze, zapobiegające zniekształcaniu aerodynamicznego profilu skrzydła przez oblodzenie Skrzydło zostało wy posazone w zestaw lotek, klap i przerywaczy, poruszanych przez siłowniki hydrauliczne Dzięki nim pilot może w róż- nych fazach lotu zmieniać kształt skrzydła Na przykład przy starcie tf lądowaniu klapy są wysuniętej dzięki czemu zwiększa się powierzchnię i wypukłość skrzydła, przez co wytworzona zostaje większa siła nośna przy małej prędkości lotu Przerywacze na górnej powierzchni skrzydła mogą być podniesione, aby spowodować opór stosowane są wtedy, gdy pilot chce gwałtownie zmniejszyć wysokość lotu, a także po lądowaniu, przy hamowaniu samolotu na pasie startowym W czasie normalnego lotu poziomego klapy i przerywacze są cofnięte Klapy umieszczono na krawędzi spływu i krawędzi natarcia [E] obu skrzydeł Mogą one być wysuwane w dół i do przodu w celu wytworzenia dodatkowej siły nośnej przy locie z małą prędkością dziej płaskiej powierzchni dolnej. Powietrze przepływające nad górną powierzchnią ma do pokonania dłuższą drogę, zanim połączy się ze strugą powietrza za skrzydłem - dłatego musi płynąc z większą prędkością. Zgodnie z prawem Bernoułłiego, przemieszczający się z dużą prędkością płyn (w tym wypadku powietrze) wywiera niniejszy nacisk niż strumień przepływający wolno. Tak więc gdy ciśnienie nad skrzydłem staje się niższe niż ciśnienie pod skrzydłem, na skrzydło działa siła nośna. Różnica ciśnień nad skrzydłem i pod nim, a co za tym idzie - siła ciągu, rośnie wraz z prędkością lotu: dlatego samolot musi osiągnąć znaczną prędkość na ziemi przed startem. Siła nośna wzrasta także wraz ze zwiększeniem się pola powierzchni skrzydła i jego wypukłości. Dlatego właśnie samoloty rozwijające małe prędkości zwykle mają długie i stromo sklepione skrzydła, podczas gdy skrzydła szybkich samolotów są raczej krótsze, cieńsze i bardziej płaskie w przekroju. Akrobacje lotnicze Pilot może zyskać na sile nośnej poprzez poderwanie dziobu samolotu w górę. To zwiększa kąt, pod jakim skrzydła zderzają się z powietrzem, czyli kąt natarcia, i co za tym idzie - odległość, którą powietrze musi przebyć nad powierzchnią płata. Przy kątach natarcia powyżej 15° dodatkową siłę nośną uzyskuje się kosztem prędkości (chyba że zrekompensowane to zostanie zwiększoną siłą napędową wytwarzaną przez silnik). Jednakże przy większych kątach płynny przepływ powietrza dookoła skrzydeł zmienia się w przepływ pełen prądów wirowych. Powoduje to nagłą utratę siły nośnej zwaną przeciągnięciem, przez co samolot zaczyna gwałtownie spadać i pilot traci nad mm kontrolę. Współczesne samoloty zaopatrzone są w urządzenia służące do ostrzegania przed zbliżającym się przeciągnięciem. Pilot może zmieniać nośność skrzydła, poruszając klapami na krawędzi spływu. Obniżanie lub wysuwanie klap skrzydeł powiększa powierzchnię płata. To jest źródłem dodatkowej, niezbędnej przy starcie i lądowaniu siły nośnej przy małej prędkości. Inne ruchome płaty na skrzydłach i części ogonowej -stery wysokości, lotki oraz ster kierunku - pozwalają na wykonywanie takich manewrów, jak odchylenie, pochylenie samolotu czy przechylenie. 28 Samoloty: układy Jak komputery przejmują zadania pilota Pod skórą Konstrukcja samolotu [A] łączy w sobie ogromną wytrzymałość z małą masą Kadłub samolotu zbudowany jest z żeber i dźwtgarów, wykonanych, podobnie jak pokrywająca je powloką, t lekkiego stopu aluminium Coraz większą część konstrukcji obecnie wykonuje się z kompozytów - wysoko wytrzymałych włókien węglowych lub szklanych, utkanych w rodzaj maty i usztywnionych warstwą żywicy Części wykonane z kompozytów są zwykle o 20% lżejsze niż ich odpowiedniki z aluminium W Airbusie A-330 najczęściej stosowanym materiałem zastępującym Pilot nowoczesnego samolotu komunikacyjnego może bez obaw przyciągnąć do siebie drążek sterowy wystarczająco ostro, aby spowodować stan niebezpiecznego przeciągnięcia samolotu. Do katastrofy nie dochodzi, ponieważ nie ma bezpośredniego przełożenia pomiędzy ruchami drążka a funkcjonowaniem sterów. Zamiast tego komputery stale kontrolują polecenia pilota i wykonują tylko to, co jest bezpieczne. Kabina pilota uległa wielu zmianom - 20 lat temu samolot Concorde chlubił się posiadaniem ponad 130 różnych zegarów, które obserwować musiała załoga. To zatrzęsienie pojedynczych zegarów zastąpione zostało skomputeryzowanymi monitorami, które ostrzegają pilota tylko wtedy, gdy dzieje się coś złego. W najnowszych samolotach nie ma bezpośredniego połączenia mechanicznego pomiędzy urządzeniami sterowniczymi w kabinie pilota a aerodynamicznymi sterami zewnętrznymi - brak w nich niezgrabnych układów bloczków i drutów czy ogromnych rur hydraulicznych i cylindrów. Zastępuje je elektroniczny system sztucznej stateczności i sterowania, czyli kilka komputerów, które rejestrują polecenia pilota wydawane za pomocą drążka sterowego i pedałów, a następnie przekształcają je na elektroniczne rozkazy dla serwo-motorów - silników poruszających stery. Jednocześnie komputery te kontrolują prędkość samolotu za pośrednictwem różnych czujników pomiarowych. Komputery sterowane są programem, w którym u-względnione są bezpieczne granice funkcjonowania samolotu. Nie pozwala on tych granic przekroczyć. Mimo zmniejszenia wpływu pilota na prowadzenie samolotu ma to także wiele zalet. Błyskawiczny czas reakcji komputerów pozwala na stałe regulowanie położenia lotek, steru wysokości i steru kierunku, tak aby korygować błędy w sterowaniu samolotem czy nagłe odchylenia od kierunku lotu spowodowane turbulencją. Tym, co łączy komputery, serwomotory oraz różne czujniki położenia, jest szyna danych ~ pojedyncza wiązka przewodów lub światłowodów biegnąca wzdłuż całego samolotu. Sygnały przesyłane szyną zapisane są cyfrowo. Każda część otrzymuje wszystkie sygnały, ale reaguje tylko na te z nich, które mająjej kod, co znacznie zmniejsza liczbę koniecznych przewodów. Sygnały z czujników mogą być jednocześnie przekazywane tym wszystkim częściom, które ich wymagają. Dane z rurki Pilota, gdzie mierzone jest ciśnienie powietrza, przesyłane są w postaci cyfrowej nie tylko do monitora pilota, ale także do systemu klimatyzacji oraz systemu utrzymywania zwiększonego ciśnienia. Bezpieczeństwo w cyfrach W samolocie muszą istnieć odpowiednie mechanizmy zabezpieczające, które umożliwią pilotowi dalsze sterowanie samolotem w razie błędu komputera lub awarii systemu zasilania. Ruchy samolotu kontrolowane są przez trzy komputery. Każdy z nich odpowiedzialny jest za inną grupę sterów, ale jednocześnie sprawdza, czy polecenia wysyłane przez pozostałe komputery nie zawierają błędów. Na wypadek gdyby wszystkie trzy komputery uległy awarii - co mało prawdopodobne - samolot wyposażony jest w kolejne dwa procesory o mniejszej mocy, gotowe do użycia w razie niebezpieczeństwa. Niektóre samoloty są nawet wyposażone w proste układy połączeń mechanicznych, które mogą być użyte w ostateczności. Z szyną danych połączony jest komputer sterujący lotem. Korzystając z danych dostarczanych przez różne czujniki prędkości i położenia, a także z danych nawigacyjnych z satelitów i naziemnych latarni kierunkowych, ten słynny autopilot może przejąć aluminium jest CFRP (ang Carbon-Fibre-Remforced Plastic - „tworzywo sztuczne wzmocnione włóknem węglowym"). Jest ono wytrzymałe oraz niezwykłe lekkie, stanowi więc idealny materiał na części poddawane działaniu ogromnych nacisków, takie jak lotki czy klapy Ulepszane cieplnie CFRP (TCFRP-ang toughened CFRP) śluzy do wykonywania większych części, takich jak ogon czy belki podłogowe, z połączenia hybrydowego zaś, czyli mieszanki CFRP z innym materiałem, nomeksem, wykonywane są stery kierunku Dziób samolotu komunikacyjnego zawiera reflektor anteny radaru meteorologicznego, przykrytv kopułą z włókna szklanego Sygnały z tego radaru łącznie z sygnałami z innych czujnikom przekazywane są do systemu komputerowego samolotu. Szczeltie zamknięte przestrzeń pomiędzy dźwigarami w każdy skrzydle używane są jako zbiorniki paliwa Samolot utrzymywany jest w równowadze dzięki przepompowywaniu, poprzez sieć rurek, paliwa ze zbiorników w skrzydłach do zbiorników w ogonie W samym tyle samolotu znajduje się pomocniczy zespo silnikowy, czyli niewielka turbina gazowa, która dostarcza do samolotu prąd wtedy, gdy nie pracują głowm silniki Tuz przed mąjest gróc ciśnieniowa w kształcie kopuł która wytrzymuje nacisk powietrza o zwiększonym ciśnieniu, znajdującego uę wewnątrz samolotu antena VHF radar Zobacz tahe Silniki odrzutowe 24 Pomoce nawigacyjne 40 Telefony komórkowe i światłowody 48 Dane komputerowe Sześć monitorów komputerowych dostarcza pilotowi Airbusa A-330 (z prawej) danych dotyczących lotu, wtedy gdy są potrzebne Wynikająca z tego prostota wnętrza kokpitu ostro kontrastuje z setkami zegarów wtłoczonych we wnętrze samolotu Concorde sprzed 25 lat (zdjęcie - wstawka u góry) Samoloty: układy 2 9 -'- y*^ ^^3—*"[ |_ komputery nawigacyjne Airbus Pojedynczy światłowód zwany szyną danych [BJ przenosi informacje pomiędzy urządzeniami sterowniczymi, komputerami, czujnikami i sterami samolotu, wyposażonego w układ sztucznej stateczności t sterowania Komputery kontrolują zachowanie się samolotu, dzięki czemu możliwe staje się latanie przy największych możliwych kątach natarcia (powyżej) przetwornik Wysolcościomierz radiolokacyjny Wysokość lotu ustalana jest za pomocą radiowysokościomierza [C] Sygnał radiowy jest przekazywany na ziemię, odbijany l wychwytywany przez antenę samolotu. Czas między wysłaniem sygnału a jego odbiorem pozwala określić wysokość lotu sterowanie samolotem właściwie natychmiast po starcie. W niektórych samolotach nawet w tym krytycznym momencie lotu samolot może być sterowany automatycznie. Załoga programuje trasę lotu w komputerze sterującym lotem. Wykorzystując sygnały z radiolatarni i satelitów, komputer porównuje faktyczne położenie samolotu w danym momencie z zaprogramowaną trasą i zgodnie z tym ustala kierunek i prędkość lotu. Szklany kokpit Urządzenia elektroniczne przejęły również wiele funkcji w kokpicie. Podczas gdy dawniej piloci obserwować musieli setki różnych zegarów, obecnie dane przekazywane są za pomocą niewielkiej liczby monitorów. Monitory te mogą przekazywać informacje w różnych kombinacjach, w zależności od tego, w jakim stadium znajduje się lot. Ponieważ tak ogromną część kontrolowania układów samolotu wykonuje komputer, do sterowania największym obecnie samolotem komunikacyjnym, Boeingiem 747-400, potrzeba tylko dwóch ludzi. Zobacz także Komputery: sieci 82 Materiały zaawansowane 194 Prawa przyrody 250 254 258 śmtglo ogonowe 30 Helikoptery (śmigłowce) Dlaczego helikoptery (śmiglowce) mogą zawisnąć w powietrzu Helikoptery potrafią docierać do miejsc, które są niedostępne dla innych środków transportu. Dzięki temu, iż mogą zawisnąć nieruchomo w powietrzu, startować i lądować pionowo oraz manewrować w dowolnym kierunku, stały się nieodzownym sprzętem do wykonywania wielu zadań. Największe helikoptery używane są jako powietrzne dźwigi, podnoszące na dachy budynków ładunki dochodzące nawet do 501. Mniejsze śmigłowce używane są między innymi w ratownictwie morskim (z powiet przy opylaniu ziemiopłodów czy kontrolowaniu rurociągów. Ponieważ helikoptery wymagają pasa startowego, odgrywają istotną rolę w zaopatrywaniu statków, platforni wiertniczych czy siedzib ludzkich w trudno dostępnym terenie. Typowy samolot może latać, gdyż przy wzbijaniu się w powietrze jego skrzydła wytwarzają skierowaną ku górze siłę zwaną silą nośną. Helikopter utrzymywany jest w górze przez siły aerodynamiczne tego samego rodzaju. Wyposażony jest w 2 do 6 łopat wirnika, przytwierdzonych do centralnej piasty. Każda z tych łopat jest w zasadzie długim, cienkim skrzydłem, obracającym się nad kabiną z prędkością 300 obrotów na minutę. Podczas gdy samolot o nieruchomych skrzydłach musi poruszać się z dużą prędkością, aby pozostawać w górze, „skrzydła" helikoptera same się poruszają, co sprawia, że może zawisnąć w powietrzu, opadać, wznosić się pionowo, lecieć poziomo w dowolnym kierunku. Kąt zderzania się łopaty z powietrzem -jego skok -decyduje o tym, jak dużą siłę nośną wytwarza ta łopata. Helikopter sterowany jest przez regulowanie skoku każdej łopaty wirnika podczas jej ruchu obrotowego, dzięki czemu kontrolować można wielkość siły nośnej, wytwarzanej ze wszystkich stron śmigłowca. Zwiększanie skoku wszystkich łopat wirnika jednocześnie sprawia, że helikopter unosi się pionowo. Poziomy lot do przodu uzyskuje się przez zwiększanie skoku każdej łopaty, gdy znajduje się ona z tyłu w ruchu obrotowym dookoła centralnej piasty, i zmniejszanie skoku, gdy łopata znajduje się z przodu. W wyniku tego na tył helikoptera działa większa siła nośna niż na jego przód, co powoduje przechylenie dziobu w dół i pchanie całej maszyny do przodu. Lot do przodu Gdy helikopter leci do przodu, powietrze wokół łopat z jednej strony wirnika (łopat atakujących) przepływa szybciej niż wokół łopat z drugiej strony wirnika (łopat cofających się). Szybszy przepływ powietrza wokół płata zwiększa siłę nośną, a więc łopaty atakujące wytwarzają znacznie większą siłę, skierowaną do góry, niż łopaty cofające się. Ta dysproporcja doprowadziłaby do przewrócenia helikoptera na bok, gdyby nie korygowały jej przeguby poziome zastosowane w łopatach. Umożliwiają one wahanie czy wychylanie się łopaty atakującej w górę, co zmniejsza jej kąt natarcia i, w konsekwencji, wytwarzaną siłę nośną. Powyżej pewnej prędkości poziomego lotu do przodu cofająca się łopata ulega przeciągnięciu, gdy swobodny przepływ powietrza wokół jej powierzchni załamuje się w wiry. Prowadzi to do utraty siły nośnej, przez co helikopter traci wysokość i pilot traci nad nim panowanie. Z tego względu maksymalna prędkość najszybszych helikopterów wynosi zaledwie 400 km/h -są one znacznie wolniejsze niż typowe samoloty. Aby utrzymać się w powietrzu, helikopter musi mieć od trzech do dziesięciu razy większą siłę ciągu niż samolot porównywalnej wielkości. Silniki tłokowe o wystarczającej mocy są za duże i wytwarzają zbyt silne wibracje - dlatego mogą one być używane tylko w najmniejszych śmigłowcach. Z tego właśnie powodu większość zakończenie lopap, silniki turbinowe z wyjściem na przekładnię helikopterów napędzanych jest jednym lub kilkoma silnikami turbinowymi z wyjściem na przekładnię. Jest to taka odmiana silnika odrzutowego, w której napęd na łopaty wirnika przenoszony zostaje przez skrzynkę przekładniową bezpośrednio z wału turbiny. Obroty w miejscu Siła obracająca - a co za tym idzie: moment obrotowy konieczny do obracania wirnika - pcha kadłub śmigłowca. Zgodnie z trzecią zasadą dynamiki Newtona - każdemu działaniu towarzyszy równe mu, skierowane przeciwnie przeciwdziałanie - siła ta obraca kadłub w kierunku przeciwnym do ruchu łopat. W większości helikopterów zapobiega temu działanie śmigła ogonowego - niewielkiego, umocowanego na belce ogonowej śmigła, które pcha powietrze w jednym kierunku, zapobiegając obracaniu się kadłuba śmigłowca w miejscu. Za pomocą pedałów pilot może zmieniać skok łopat śmigła ogonowego, zmieniając w ten sposób siłę wytwarzanego przez to śmigło ciągu. Powstający w ten sposób brak równowagi pomiędzy działającymi siłami pozwala pilotowi skierować śmigłowiec w lewo lub w prawo. Napad i kierowanie Głowica wirnika [A], m łopaty do ich wału napędowego, jest skomplikowanym urząd Napęd z trzech silników turbinowych z wyjścier przekładnię pn.enosz.on wał za pośrednictwem przekładni stożkowych wał biegnie do tyłu i sł napędzaniu śmigła ogo Drążki łącza, urządzeni sterownicze w kabinie j sprzęgłem płytv sterów okresowego na głów m wirniku i z wirnikiem ogonowym Gumow e p z elastomeru pozwalaj* łopatom odch\lać się \ l w dół wraz ze zmiaru skoku, a także poziom* wzrostem oporu Amoi pomiędz^ piastą a kaź Zapobiega narastaniu mebezpieczn\ch ytibn Zahacz także Silniki odrzutowe 24 Samoloty: aerodynamika 26 Obróbka metali 190 Polimery 192 Materiały zaawansowane 194 Prawa przyrody 230 2jsi40 242 tryttor pomka drążek sterujący lącznik nasady smigla f go lopata Sterowanie lotem \ Mechanizm dźwigniowy p|yty sterowania okresowego * decyduje o skoku każdej z łopat wirnika Urządzenia sterownicze pilota połączone są Z zamocowaną na stałe dolną płytą, której ruchom odpowiadają ruchy obracającej się płyty górnej Płyta ta połączona jest za pomocą drążków z krawędziami natarcia łopat Gdy cały ten układ jest wypychany w gore,, kąt natarcia wszystkich łopat wzrasta, dzięki czemu wytwarzana jest większa siła nośna i śmigłowiec wznosi się napad wał wirnika napęd l silników Migające śmigła (z prawej) Śmigło ogonowe zapobiega kręceniu się helikoptera w miejscu ale jednocześnie zużywa energię przeznaczoną na utrzymywanie go w powietrzu Dlatego w śmigłowcu Kaman K Max zamiast śmigła ogonowego zastosowano dwa wirniki główne których obszary pracy częściowo na siebie zachodzą i które obracają się w przeciwnych kierunkach, równoważąc siły obracające Inne możliwe rozwiązania to dwa główne wirniki usytuowane jeden za drugim lub jeden na drugim ' płyt) sterowania okresowego Lot poziomy do przodu Helikopter zaczyna lecieć do przodu [C] gdy pilot przemnie drążek sterowania okresowego do przodu Drążek ten jest połączony z płytami sterowania okresowego, które z przodu pochylają się w dół, co powoduje zmniejszenie kąta natarcia łopat nacierających i zwiększenie kąta natarcia łopat cofających się W ten sposób większa siła nośna wytwarzana jest z tyłu helikoptera i dlatego dziob helikoptera pochyla się w dół W tej pozycji wirniki wyrzucają powietrze^nie tylko w dół, ale takze-J^kko do tyłu pchając śmigłowiec do przodu W podobny sposób helikopter może poruszać się w bok, a nawet do tyłu w zależności od pochylenia tarcz sterowania okresowego 32 Samoloty: nowe rozwiązania Jak będą wyglądały samoloty XXI wieku Wzrastające zapotrzebowanie na podróżowanie drogą powietrzną powoduje rozwój samolotów komunikacyjnych: mają one być większe, szybsze, bezpieczniejsze i mniej szkodliwe dla środowiska. Samoloty większe to ogromne samoloty transportową mogące zabrać na pokład do 1000 pasażerów, a więc dwa razy tyle, ile zabiera obecnie największy samolot komunikacyjny, Boeing 747. Samolot szybszy to samolot naddźwiękowy o zasięgu dwukrotnie większym i trzykrotnie większej ładowności niż zasięg i ładowność Concorde'a. Ostatnie unowocześnienia mają także na celu zwiększenie bezpieczeństwa dzisiejszych samolotów i ich nieszkodliwości dla środowiska, tak aby stworzyć maszynę cichszą i mniej szkodliwą dla delikatnych warstw atmosfery, przez które lata. Samoloty przyszłości mogą w ogóle nie mieć szyb przednich. Zamiast nich duże płaskie ekrany ciekłokrystaliczne będą wyświetlały stworzony komputerowo obraz tego, co dzieje się na zewnątrz samolotu. Bazując na danych dostarczonych przez różnego rodzaju czujniki, od kamer wideo po lasery i radary wykorzystujące fale milimetrowe, komputer pokaże wszystkie potencjalne niebezpieczeństwa na szczegółowej mapie terenu, nad którym przelatuje samolot. Tego rodzaju systemy rzeczywistości wirtualnej będą tak dokładne, że samoloty zaczną lądować praktycznie nawet w warunkach całkowitego braku widoczności. W bliskiej przyszłości piloci samolotów komunikacyjnych nadal będą mogli obserwować świat przez okna, ale jednocześnie będą stale informowani o prędkości i kursie samolotu za pomocą wskaźników wyświetlanych na szybie przedniej. Wskaźniki te przy użyciu laserów pokażą dane na przedniej szybie, tak aby pilot nie musiał w ogóle odrywać wzroku od tego, co dzieje się na zewnątrz. Dwupokładowce Każdego roku coraz więcej ludzi korzysta z komunikacji lotniczej, co sprawia, iż istniejące szlaki powietrzne stają się zatłoczone. Linie lotnicze i producenci samolotów szukają rozwiązania tego problemu, konstruując maszyny mogące zabierać na pokład do 1000 pasażerów na trasach dochodzących do 12 000 km. Takie superjumbo jęty nowego typu będą ważyć prawie 500 t przy pełnym załadunku, co zakłada wykorzystanie właściwości materiałów, z których wykonany jest kadłub samolotu, do granic ich możliwości. Zamiast budować po prostu samoloty o dłuższym kadłubie, konstruktorzy rozważają możliwość budowania maszyn o dwóch, a nawet trzech pokładach pasażerskich. Dzisiejsze porty lotnicze nie są w stanie poradzić sobie z maszynami o rozpiętości skrzydeł zdecydowanie większej niż Nowe łopaty Silnik śmigłowo-wentylatorowy [ następcą dwóch innych typów silników odrzutowych. W skład silników turbinowych dwuprzeptywowych wchodzą turbiny obracające ogromne wentylatory, zamocowane wewnątrz ich obudowy Turbina w wolniejszym, ale oszczędniejszym silniku turbośmigłowym napędza za pośrednictwem skrzyni przekładniowej śmigło zamocowane z przodu Olbrzymy komunikacyjne Największy z istniejących samolotów komunikacyjnych, Boeing 747, może w najlepszym razie zabrać na pokład około 500 pasażerów Obecnie projektowany jest jego następca, olbrzym mogący przewozie około 1000 osób [B] Aby dopasować się do ograniczeń przestrzeni na istniejących lotniskach, maszyna ta będzie miała rozmiary prawie takie same jak Boeing 747, a więc konstrukcja dwupokładowa wydc się najlepszą drogą do pomit czenm tak wielu pasażerów. Zwykły kształt owalny [1] nie jest jedynym wariantem, ktor bierze się pod uwagę Inne możliwe pomysły to konstruk „liścia koniczyny" [2] oraz konstrukcja „poziomego podwójnego pęcherza" [3], co wygląda jak dwa kadłuby zamknięte wspólną obudową 0000000000 i- U 881 —— turbina ruch śtmgla łopata wentylatora Szybkość i oszczędność Szybkobieżne śmigła silnika śmigłowo-wentylatorowego [ zamocowane są na zewnątrz obudowy Mają one wąskie, ostrobrzezne łopaty odchylori na końcach do tyłu Każdy n przymocowany jest bezpośrednio do turbiny wewnątrz silnika, napędzane gazami spalinowymi Zobacz także Silniki odrzutowe 24 Samoloty 26 28 Helikoptery 30 Loty kosmiczne: nowe rozwiązania 180 Prawa przyrody 236 240 Naddzwiękowiec Obecnie \\ u^tkowamu jest tylko jeden typ samolotu naddzwięko we go Concorde Jest to jednak /u Mam konstrukcja która wkrot c e może być uznana 7a "*byt niebezpieczną dla środowiska i "byt hałaśliwą Konstruowany jest więc następca Concorde a Ten nowy samolot [A] będzie arowno większy (zdolny do wztę c la na pokład około 250 pasa erov\ H estawiemu c 100 pasażerami których obecnie może zabrać Concorde) jak i będzie miał ^decydowanie większy zasięg - 8000 km Nowe sprawne silniki •* kanałami wlotowymi o zmiennych przekrojach ora^ powszechne zastosowanie lekkich materiałów sprawią, r samolot będ^te mógł latać Z prędkością dwukrotnie większą od prędkości dźwięku c"yh ej 2000 km/h w i eksploatacja no\\\ch ** samolotom M t h ma siadanie lub i^azerow łącznie m czy "jaładunkicm nno zajmować me t mm W tym czasie t musi równie' zc[ian\ co stawia 'etm przed i tak ju T. mi lotniskami kabina pasa erska Samoloty: nowe rozwiązania 3 3 ta, jaką ma obecnie największyjumbojet, Boeing 747--400, a więc nowe konstrukcje prawdopodobnie będą miały składane końce skrzydeł W innych, bardziej radykalnych rozwiązaniach, zwanych kadłubopłata-mi, zwiększona, skierowana ku górze siła, konieczna do utrzymaniu samolotu w powietrzu, wytwarzana jest wspólnie przez skrzydła i kadłub, który sam ma kształt ogromnego płata Nowy Concorde Latanie naddź wieko we jest trudną, pełną kompromisów sztuką techniczną Tylko jeden istniejący samolot, Concorde, jest w stanie dokonać takiej sztuki - kosztem braku miejsca, dużego zużycia paliwa i ogromnej hałaśliwości Międzynarodowe zespoły pracują nad jego następcą, który będzie zabierać na pokład 250-300 osób na trasach co najmniej 8000 km przy wysokości lotu powyżej 20 000 m Samolot ten będzie musiał osiągnąć to wszystko, me łamiąc jednocześnie ostrych przepisów dotyczących ochrony środowiska i określających dopuszczalne poziomy hałasu i emisji gazów niszczących delikatną warstwę ozonową Silniki takiego samolotu muszą pracować w dwóch, zdecydowanie odmiennych rodzajach warunków Przy starcie i lądowaniu samolot porusza się wolno, a więc silniki muszą mieć spore wloty, podobne do tych, jakie ma samolot Boeing 747, aby zasysać mmi duże ilości powietrza Inaczej jest przy prędkościach naddźwiękowych, gdy ruch samolotu wtłacza powietrze do silników pod wysokim ciśnieniem, a więc potrzebny jest o wiele mniejszy wlot Wloty powietrza o zmiennym przekroju w połączeniu z układami, które pozwalają zmiennym ilościom powietrza omijać komory spalania, składają się na skomplikowane silniki, wymagające jeszcze wielu udoskonaleń. Mutant Konstrukcją, która łączy zalety śmigłowców i odrzutowców dys pozycyjnych (możliwość piono we go startu i duże prędkości przelotowe) jest zmiennopłat [D] Będzie on mógł startować i lądować pionowo lub przy użyciu bardzo krótkich pasów startowych a mimo to latać Z prę4koscią około 450 km/h Model ten zabierze 14 pasażerów i 2 członków załogi RozjJiętosc śmigła będzie wynosić jedynie 13 m co pozwoli mu na operowa me z lądów i ska o powierzchni potrzebnej dla średniej wielkości hc hkoptera Zmiennopłat znaj d le zastosowanie jako samolot dyspozycyjny lub pasażerski a także będzie w wyposażeniu shrb ratowniczych Skrzydło są molotu przechyla się do pozycji pionowej [ l ] dzięki czemu pr\ starcie i lądowaniu może on dzia łac jak dwusmigłowy helikopter a następnie przesuwa się do po^y cji po"iomej [2] przy zwykłym loc le po iom\m do przodu Śmigła napędzane są przez 4 silniki turbinowe z wyjściem na przekładnię zamoc owane H dwusilnikowych gondolach na każdym skrzydle Zabezpieczę niem na wypadek awani jednego z silników jest połączenie ich wałami napędowymi napędzają cymi także tylne wentylatory potrzebne w locie poziomym i zawisaniu w powietrzu wentylator tylny silniki turbinowe 17 wyjściem na przekładnię 34 Poduszkowce i wodoloty Jak poduszkowce i wodoloty mkną po falach Pośród chmury piasku i mgiełki solnej 300-tonowy poduszkowiec SR-N4 z łatwością mknie z morza do swojego terminalu na plaży. 400 pasażerów i 60 samochodów w jego wnętrzu utrzymywanych jest w górze, 2,5 m nad powierzchnią wody, za pomocą poduszki sprężonego powietrza o objętości 3000 m3. Także wodoloty uwalniają się od hamującego działania wody, wznosząc się wysoko na nogach wspartych o podwodne skrzydła. Boeing Jetfoil (wodolot odrzutowy Boeing) osiąga prędkość prawie 100 km/h, pchany pieniącymi się fontannami wody morskiej z turbiny gazowej, która je wyrzuca. W porównaniu z powietrzem woda jest substancją, w której trudno się poruszać. Gdy statek płynie, zużywa mnóstwo energii na rozpychanie wody na boki przy tworzeniu toru wodnego. Jednym ze sposobów zredukowania takich strat energii i przyspieszenia ruchu statku jest doprowadzenie do tego, aby mniejsza jego część musiała być zanurzona w wodzie. Powietrze jest 800 razy rzadsze niż woda, a więc poruszający się w nim statek napotyka znacznie mniejszy opór. W rzeczywistości poduszkowce wcale nie są statkami - są unoszone całkowicie nad powierzchnią wody za pomocą ogromnych wentylatorów znajdujących się pod kadłubem. Dlatego w zasadzie są to samoloty faktycznie „latające" tuż nad wodą. Jednym z głównych problemów pływania wodolotem jest utrzymanie pod nim unoszącego powietrza, które w sposób naturalny ucieka przez szczeliny dookoła boków wodolotu. Większość wodolotów w eksploatacji handlowej zaopatrzonych jest w gumowe osłony boczne, które utrzymują poduszkę powietrzną, nie pozwalając jej się rozpraszać. Dolna krawędź takiej osłony ma palce -wydłużenia w kształcie podkowy, które uginają się i dopasowują do kształtu fal, minimalizując uciekanie powietrza. Są także inne sposoby utrzymywania poduszki powietrznej. Małe wodoloty sportowe nie mają osłon bocznych, a zamiast tego wydmuchują ze swych krawędzi do wewnątrz niewidoczną kurtynę powietrzną, utrzymującą wysokie ciśnienie pod spodem. Inne jednostki pasażerskie mają sztywne burty zanurzające się w wodzie jak w katamaranie, a gumowe osłony chronią jedynie ich przód i tył. Takie jednostki, podobnie jak typowe poduszkowce, są szybkie, gdyż unosi je poduszka powietrzna zmniejszająca opór. Nie mogą one jednak poruszać się nad lądem, ponieważ część ich kadłuba zawsze styka się z wodą. Ruszyć z miejsca Śruba zwykłego statku jest bezużyteczna dla jednostki, która porusza się całkowicie nad wodą, a więc poduszkowce napędzane są za pomocą ogromnych wentylatorów powietrznych. Wentylatory poduszkowca SR-N4 są największymi śmigłami napędowymi tego typu, jakie kiedykolwiek wyprodukowano. Mogą zwracać się w różnych kierunkach, w wyniku czego poduszkowcem da się sterować. Niektóre jednostki pochylają się także na zakrętach dzięki lekkiemu spłaszczaniu poduszki powietrznej z jednej strony. Poduszkowce muszą mieć silniki o ogromnej mocy, a jednocześnie bardzo lekkie, tak aby mogły wytworzyć ogromną siłę ciągu, niezbędną do utrzymania kilkuset ton w powietrzu. W największych z nich zastosowano turbiny gazowe, a przelotowe silniki odrzutowe służą do obracania śmigieł i wentylatorów ośrodkowych. Jednakże takie silniki są bardzo mało odporne na korozję powodowaną gęstą mgiełką ze słonej wody, wyrzucaną w górę przez uciekające powietrze, i dlatego w mniejszych jednostkach stosuje się silniki wysokoprężne, które wymagają znacznie mniej troski. Unosić się na powietrzu Poduszkowiec [A] jest zdecydowanie szybszy niż zwykły statek - niektóre rodzaje mogą rozwijać prędkości do 120 km/h. Ponieważ poduszkowce poruszają się na poduszce powietrznej, są to jednostki ziemno-wodne, zdolne do poruszania się zarówno po ladzie, jak i po wodzie. Mogą one wypelmać różnorodne zadania, od przewozu pasażerów do akcji poszukiwąwczo-ratunkowych. Model widoczny na rysunku napędzany jest za pomocą czterech 12-cylindrowych silników wysokoprężnych. Dwa spośród nich napędzają ogromne wentylatory odśrodkowe, które zasysają powietrze i wydmuchują je pod poduszkowiec. Źródlem jego głównej siły napędowej są dwa śmigła o średnicy 2,7 m napędzane za pośrednictwem pasów napędowych przez ich wiosnę silniki wysokoprężne. Stery zamocowane za tymi śmigłami śluzą do kierowania pojazdem. Kolejne wentylatory wydmuchują powietrze przez dziobowe stery strumieniowe, dysze, które mogą być obracane, aby wspomóc sterowanie. Poduszkę powietrzną pod poduszkowcem utrzymuje się za pomocą gumowej osłony bocznej, czyli elastycznej kurtyny, która umożliwia ruch poduszkowca wysoko ponad przeszkodami i falami. Górna część osłony, zwana workiem, jest konstrukcją o podwójnej ścianie, kierującą wchodzące powietrze do komory wyrównawczej -szczeliny pod poduszkowcem. Do worka przymocowane są palce Unosząc się w powietrzu, można poruszać się nie tylko nad wodą. Poduszkowce są pojazdami ziemno-wod-nymi, a poduszka powietrzna umożliwia im rozłożenie ciężaru pojazdu na dużej powierzchni. Mogą więc poruszać się po obszarach o delikatnej powierzchni (takich jak tundra północnej Kanady), nie powodując zniszczeń. Powietrze jest także dobrym środkiem poślizgowym -skonstruowano pociąg, ślizgający się po jego cienkiej warstwie z prędkością powyżej 350 kin/h. Skrzydlate cuda Tak jak samolot unoszony jest w górę dzięki gwałtownemu przepływowi powietrza wokół płata skrzydła, tak i podwodne skrzydło, czyli hydropłat, może unieść jednostkę pływającą nad powierzchnię wody, znacznie w ten sposób zmniejszając napotykany opór. Ponieważ tylko szybki przepływ wody wokół zanurzonych płatów umożliwia utrzymanie stałego wyporu, to, co spowalnia ruch jednostki (np. fala uderzająca o kadłub), powoduje niedogodności w podróży. Aby tego uniknąć, niektóre hydropłaty zamocowane są w układzie V-kształtnym w niepełnym zanurzeniu. Duża fala uderzająca o jednostkę przykrywa znaczną część skrzydła wodą, dzięki czemu uzyskiwany jest większy wypór, unoszący kadłub ponad grzbiet fali. [B] stykające się z powierzc, nad którą posuwa się poduszkowiec, co tworzy szc zamknięcie wokót poduszki powietrznej. Palce w znaczn stopniu poprawiają także wt ki jazdy, gdyż ich ruch w go i w dół dziala jak ogromny amortyzator. Mimo że osłon, boczna jest bardzo mocna, poduszkowiec zaopatrzony z w zbiorniki powietrzne, któr mogą utrzymywać go na powierzchni w razie jej rozf, lub w razie awarii silnika. Samolot morski (z prawej, Wodoloty ślizgają się tuż na powierzchnią morza, utrzyn wane w powietrzu przez pot wodne skrzydła. Jakiekolwi, zetknięcie się kadłuba z grzbietami fal spowodowc, gwałtowne hamowanie statl oraz niebezpieczną utratę wyporu. W wodolotach o pi tach wodnych niecałkowicit zanurzonych (z prawej) uni tego problemu dzięki funkcjonowaniu ich skrzyde w kształcie litery V Gdy we przecina falę, dłuższa część skrzydła ulega zanurzeniu i w konsekwencji wytwarzai większy wypór skierowany j górze. W wyniku tego dno wodolotu wypychane je st całkowicie ponad grzbiet fc i poza zasięg niebez/ńeczen a wodolot może ślizgać się powierzchni morza. Zobacz także- Silnik spalinowy wewnętrznego spalania 12 Silniki odrzutowe 24 Samoloty, aerodynamika 26 Statki 36 Pomoce nawigacyjne 40 Prawa przyrody 228 230 238 240 wentylatory tylne pas napędowy 35 Klapami steruje automaty^ ny system dzięki któremu kadłub zawsze pozostaje na bezpiecznej wysokości ponad wodą Jednostka ta pchana jest do przodu przez strumień wodny ujęcie pomiędzy tylnymi płatami [2] pobiera wodę którą następnie pompy wysokociśnieniowe [3] wyrzucają z tylu wodolotu Z dużą prędkością Pompy te napędzane są turbinami ga owymi [4] których wloty powietrza umieszczone są wysoko aby umknąć zasysania morskiej mgiełki Woda przepływa nad wysklepionymi górnymi powierzchniami skrzydłopodobnych płatów szybciej mz pod ich dolnymi powierzchniami dzięki czemu powstaje obszar niskiego ciśnienia który zasysa cala jednostkę w gorę 36 Statki Jak się konstruuje i buduje statki pomieszczenia zalogi Długi na prawie 0,5 km i szeroki na 60 m, Jahre Yiking" jest największym statkiem, a nawet największym poruszającym się obiektem, jaki kiedykolwiek zbudowano. Aby całkowicie wyhamować tego masywnego, ważącego 565 0001 olbrzyma z jego rejsowej prędkości, potrzeba wielu dziesiątków kilometrów, zadokować zaś można go tylko w najgłębszych portach. W konstruowaniu statków ich funkcja dyktuje formę: niezgrabność zbiornikowca do przewozu ropy ostro kontrastuje ze zwinnością promu pasażerskiego, który wyposażony jest w dodatkowe śruby, a nawet stery na dziobie, umożliwiające manewrowanie w ciasnym porcie. Kształt kadłuba statku jest wynikiem kompromisu pomiędzy różnymi potrzebami. Po pierwsze, kadłub powinien przecinać fale przy minimalnym oporze -skrajnym tego przykładem są łodzie wiosłowe i czółna, które mają kadłuby długie i wąskie z ostro zakończonymi dziobami. Innym sposobem zmniejszenia oporu jest podniesienie nad wodęjak największej części kadłuba. Dno ślizgaczy zostało tak skonstruowane, że przy dużych prędkościach zachowują się one jak akwaplan (wytwarzają siłę nośną), dzięki czemu część kadłuba unoszona jest nad wodę. Drugi ważny czynnik to stabilność. Łodzie żaglowe wyposażone są w ciężkie kile, zwykle obciążone ołowiem, aby przeciwdziałały wywracającej sile wiatru dmącego w żagle. Kształt kila wspomaga także pchanie żaglówki do przodu, gdyż stanowi dodatkowy opór dla ruchu bocznego. Wszystkie typy kadłubów są tak ukształtowane, aby były odporne na wywracanie się do góry dnem. Konstruktor musi w ten sposób zaprojektować łódź, aby działające na nią skierowane do góry siły (siły wyporu) w połączeniu z siłami skierowanymi do dołu (ciężarem łodzi) dawały w rezultacie taką wypadkową siłę obracającą, która będzie prostowała łódź, gdy ta się przechyli. Konstrukcja katamaranu jest szczególnie stabilna dzięki szerokiemu rozstawieniu jego bliźniaczych kadłubów, ale w wypadku łodzi wielokadłubowych trudniej jest uzyskać taką ich sztywność, która odpowiadałaby sztywności łodzi podobnej wielkości o pojedynczym kadłubie. Trzecim czynnikiem, który musi być wzięty pod uwagę, jest funkcja i nośność statku. Łodzie i statki do przewożenia ładunków, poczynając od barek, a kończąc na zbiornikowcach, są szersze w porównaniu z idealnym kształtem opływowym, co daje większą przestrzeń do magazynowania ładunku. Niektóre kadłuby mają kształty szczególnie wyspecjalizowane: trawlery charakteryzują się wysokimi dziobami, które pozwalają im na pływanie po najbardziej rozkołysanych falach oceanu, ale także dużo niższą rufą, przez którą z łatwością można wyrzucać i wciągać sieci. Lodołamacze majądzioby łyżkowe, stopniowo posuwające się do góry na dryfującym lodzie. Zamarznięta powierzchnia oceanu pęka pod ciężarem statku i szlak zostaje przetarty. Nowoczesne lodo-łamacze wyposażone są w układy wytwarzające pęcherzyki powietrza, powodujące powstawanie prądów wody i powietrza pomiędzy kadłubem a lodem - w ten sposób zmniejszają opór, na który natrafia statek. anoda protektorowa ruch śruby Napęd oceaniczny Statki o tak różnorodnych kształtach kadłubów napędzane są wieloma różnymi rodzajami silników. Do niedawna największe towarowce i liniowe statki pasażerskie napędzane były turbinami gazowymi, czyli odpowiednio przystosowanymi przelotowymi silnikami odrzutowymi, stosowanymi w samolotach. Aby sprawnie funkcjonować, silniki te muszą pracować z prędkością wielu tysięcy obrotów na minutę, czyli z prędkością zdecydowanie większą niż idealna prędkość obrotowa śruby okrętowej. Morski olbrzym Współczesny zbiornikowiec [A] jest tak skonstruowany, aby mógł przewozić możliwie najwięcej ropy przy najmniejszych kosztach. Sama ropa przechowywana jest w dużych zbiornikach, podzielonych na mniejsze części przez przegrody i grodzie. Zapobiegają one przelewaniu się ropy z jednej burty na drugą, co mogłoby zagrozić stabilności statku. Dziób i rufa przewężają się na linii pływania (wodnicy), a następnie ponownie wybrzuszają się pod wodą. Dzięki temu linia pływania, gdzie opór jest największy, jest możliwie najkrótsza, a jednocześnie wyporność - a więc także pływalność — duża. Zbiornikowiec napędzany jest za pomocą wolnoobrotowego silnika wysokoprężnego, chłodzonego wodą morską, zasysaną przez ujęcie w prawej burcie, a wyrzucaną przez podobny otwór wylotowy w lewej burcie. Gorące gazy spalinowe, wypuszczane przez komin, wykorzystywane są do podgrzewania wody w kotle. Silnik obraca się na tyle wolno, Że może być połączony bezpośrednio ze śrubą, czyli odlewem z brązu o średnicy powyżej 10 m. Dysze skupiają przepływ wody wokół śruby, co zwiększa jej sprawność. Za pomocą steru można kierować statkiem na morzu poprzez odpowiednie prowadzenie śladu torowego śruby. W ciaśniejszym porcie manewrowanie ułatwiają dziobowe stery strumieniowe, zamknięte śruby napędzane L silnik wysokoprężny silnikami elektrycznymi, które mogą pchać przód statku w prawo lub w lewo. Ster oklejony jest anodami protektorowymi - listwami z cynku, które „atakowane" s przez morską wodę bardziej r\ stalowy kadłub. W wyniku reakcji wytwarzany jest prąd elektryczny, przepływający przez wodę i stanowiący dals ochronę kadłuba przed korozj Z tyłu statku znajduje się łódź ratunkowa. W razie niebezpieczeństwa załoga mo szybko dostać się na lodź i mocno się do niej przypiąć. Wtedy następuje zwolnienie linki mocującej i lodź swobodnie spada do wody, dzięki czemu ewakuacja jest znacznie szybsza niż przy zastosowaniu tradycyjnych łodzi ratunkowych. Zobacz także: Silnik spalinowy wewnętrznego spalania 12 Silniki odrzutowe 24 Poduszkowce i wodoloty 34 Ropa naftowa: wydobycie 104 Prawa przyrody 228 236 238 240 Statki 37 dziobowe stery strumieniowe Ogromna prędkość Statek Umowy SWATH wyposażony został w dwa szeroko rozstawione pływaki, które dają mu dużą, stabilność, a jednocześnie sprawiają, ze statek jest bardzo wąski na linii pfywama [G]. Łódź motorowa (powyżej) także skl się z dwóch bliźniaczych kadłubów i może ślizgać się po falach z prędkością do 200 km/h. wlot wody chłodzącej We wzorowym porządku Podróżowanie promem pasażerskim jest wygodne nawet przy dużej fali dzięki stabilizatorom [B, C] Stabilizatory to skrzydełka, które wystają z boku kadłuba i obracają się, aby wytworzyć skierowaną do góry silą wyporu, równoważącą kołyszące ruchy morza, gdy statek płynie Przewrotka O stabilności statku [D, E, F] decyduje umiejscowienie jego środka ciężkości [1] (punktu, w którym przyłożona jest sita ciężkości skierowana do dołu) względem jego środka wyporu [2] (punktu przyłożenia skierowanej ku górze siły wyporu, z jaką działa otaczająca woda) Gdy statek znajduje się w pozycji pionowej, oba te punkty znajdują się dokładnie w jednej linii, na osi pionowej statku [D] Gdy statek zaczyna się przechylać, sam powróci do pionu [E], jeśli punkt, w którym wektor sify skie rowanej do góry (siły wyporu), przecinający pionową oś statku [3], jest powyżej środka ciężkości Ale jeśli ten punkt przecięcia znajduje się poniżej środka ciężkości statku, rezultatem tego jest niczym nie równoważona siła obracająca, która wywraca statek do góry dnem [F] Dlatego turbiny gazowe wymagają ogromnych, marnujących energię przekładni, redukujących prędkość obrotową. Pogarszają one i tak już niewielką sprawność turbin gazowych i dają bardzo paliwożerne układy napędowe. Konwencjonalne silniki wysokoprężne okazały się sprawniejsze i ich duże odmiany stosowane są na najnowszych statkach towarowych. Obracają się one tak wolno, że nie jest potrzebna żadna skrzynia przekładniowa. Silnik można bezpośrednio połączyć ze śrubą. Inny sposób wykorzystania napędu dieslow-skiego to silniki wysokoprężne napędzające prądnice. Wytwarzany przez nie prąd podawany jest do silników elektrycznych, które obracają śruby. Takie rozwiązanie pozwala na umieszczenie silników z dala od śruby i lepsze rozmieszczenie ciężaru. Napęd żaglowy jest obecnie wykorzystywany prawie wyłącznie do rekreacji. Mimo to konstrukcje łodzi żaglowych stają się coraz bardziej skomplikowane. Bodźcem do doskonalenia konstrukcji zagłówek są różnego rodzaju regaty, na których potrzeby powstają tak pomysłowe rozwiązania, jak na przykład kile zaopatrzone w skrzydła. Technika podwodna Jak nurkowie badają głębiny oceanu Oceany, które pokrywają dwie trzecie powierzchni Ziemi, są nieprzyjaznym środowiskiem dla badań prowadzonych przez człowieka. Ich górne 30 m stało się dostępne dzięki akwalungowi wynalezionemu przez Francuza Jacques'a Cousteau. Penetrowanie większych głębokości wymaga lepszej ochrony w postaci sztywnego stroju nurka, który faktycznie jest jednoosobową łodzią podwodną, oraz specjalnych mieszanek gazowych do oddychania. Najgłębsze rowy są dostępne tylko w badawczych statkach podwodnych o konstrukcji niezwykle wytrzymałej metalowej kuli. Największym problemem, przed którym staje nurek czy badacz oceanu, jest to, jak poradzić sobie z miażdżącym ciśnieniem oceanicznych głębin. Nawet w płytkich wodach ciśnienie to nie pozwala płucom nurka właściwie się rozszerzać i wdychać odpowiedniej ilości powietrza. Problem ten można pokonać, podając nurkowi sprężone powietrze. Do głębokości mniej więcej 30 m nurkowie używają akwalungu. Sprężone powietrze zmagazynowane jest w butlach znajdujących się na plecach nurka i podawane do ustnika przez zawory, które redukująjego ciśnienie, tak aby odpowiadało ono ciśnieniu otaczającej wody. Na większych głębokościach zimno i ciśnienie bardziej dają się we znaki. Zawodowi nurkowie ubrani są w stroje połączone z powierzchnią przewo-dami-„pępowinami", przez które podawane jest sprężone powietrze, a także gorąca woda, opływająca strój i ogrzewająca nurka. Choroba kesonowa Gdy nurek wdycha powietrze pod bardzo wysokim ciśnieniem, azot w nim zawarty rozpuszcza się we krwi w większych ilościach, niż działoby się to na lądzie. Jeśli nurek wynurza się zbyt szybko, nadmierne ilości azotu uwalniane są z roztworu w ten sam sposób, w jaki tworzą się bąbelki dwutlenku węgla przy otwieraniu butelki z gazowanym napojem. Następstwem tego jest bolesny, a czasem śmiertelny stan zwany chorobą kesonową. Jedynym rozwiązaniem jest powolne wynurzanie się nurka - z przerwami, umożliwiającymi ciału przystosowanie się i usunięcie z organizmu nadmiernych ilości azotu przez oddychanie. Przy bardzo wysokich ciśnieniach azot i tlen stają się trujące. Przy zanurzeniach poniżej 50 m w mie- otwór odpowietrzający Transport nurków Zaopatrzona w śluzy lodź podwodna [A] transportuje nurków do t z miejsca wykonywanej przez nich pracy na głębokościach dochodzących do 250 m Załoga znajdująca się z przodu oddycha normalnym powietrzem atmosferycznym Steruje łodzią i może nawet pobierać z głębin próbki za pośrednictwem ramion manipulatora Kabina załogi połączona jest śluzą Z drugą komorą, przeznaczoną dla nurków Komora wypełniona jest helwksem (mieszaniną helu i tlenu) pod wysokim ciśnieniem Nurkowie mogą opuszczać łódź i wracać do mej przez drugą śluzę, umieszczoną w dnie łodzi, która jest napędzana elektrycznie za pomocą ogniw umieszczonych w bocznych pojemnikach hak do podnoszenia ~ szańce gazów do oddychania azot zastępuje się cz^ sto helem, przez co uzyskuje się mieszankę zwań helioksem. Stosowanie tej mieszanki ma dziwr działanie uboczne na krtań, w wyniku którego nure mówi cienkim, piskliwym głosem. Jeśli nurkowie muszą pozostawać pod wodą prze wiele dni bez przerwy, stosowana jest technika zw; na nurkowaniem nasyceniowym. Nawet gdy nurkc wie nie pracują, pozostają pod wodą w komorz ciśnieniowej, oddychając helioksem. Pozwala to z; oszczędzić czas i nie martwić się o dekompresję, al także oznacza, że w razie niebezpieczeństwa nurkc wie faktycznie są uwięzieni. Podwodni robotnicy Do pewnych zadań nurkowanie jest zbyt drogie lu niebezpieczne. W takich wypadkach używa sięzdalm sterowanych urządzeń. Takie maszyny stosowane są n przykład do czyszczenia podwodnych części platfon wiertniczych. Półkoliste urządzenie mocuje się do ze wnętrznych części układu rurociągów platformy i usi wa wąsonogi oraz inne zanieczyszczenia morskii Zdalnie sterowana maszyna połączona jest ze znajduj; cym się na powierzchni operatorem przewodem, prze który przesyłane są obrazy z pokładowej kamery tek wizyjnej. Taka maszyna może być nawet umieszczoii we właściwym miejscu za pomocą innego zdalnie ste rowanego pojazdu z własnym napędem. Zdalnie sterc wane urządzenia są także doskonałymi narzędzian badawczymi. Jeden z takich bardzo zwrotnych poją/ dów, jednostka pod nazwą Jason, zbadał przy użyci pokładowych kamer telewizyjnych wrak oceaniczneg statku pasażerskiego Titanic 4 km pod powierzchni północnego Atlantyku. główny zbiornik powietrzny śluza powietr: komora nurków kiosk latarnia sonaru światto wziernik *— pojemnik ogniw pompa butle gazowe ramie, manipulatora zbiornik przeglębny Zanurzanie się * Wypór hydrostatyczny łodzi podwodnej [A] jest regulowana za pomocą trzech zbiorników [B] Aby opuścić łódź pod powierzchnię wody, główne zbiorniki wypełnia się wodą od dołu, podczas gdy powietrze wypuszcza się przez otwory odpowietrzające u góry [1] Głębsze zanurzenie łodzi uzyskuje się przez wpompowanie wody do drugiego zbiornika przeglębnego [2] Technika podwodna 3 9 ratman\ uchwyt do podnoszenia Jednoosobowa łódź podwodna Oddychanie powietrzem lub m nymi gazami pod wysokim ciśnieniem może być bardzo nie bezpieczne i zakłada długie okresy sprężania i dekompresji Można tego umknąć stosując atmosferyczny system nurkowa ma [Ej który pozwala nurkowi pracować na głębokościach po mzej 700 m a jednocześnie oddychać powietrzem o normal nym ciśnieniu atmosferycznym Mimo iż taka jednostka wazy prawie tonę na lądzie pod wo da wydaje się mewazka i łatwo można nią manewrować dzięki jej 4 elektrycznym sterom stru miemowym obsługiwanym przez nurka za pomocą peda hw nożnych Nurek może manipulować przedmiotami używając dwóch przegubowych ramion z których każde wyposa żonę jest w zestaw chwytaków Na największych głębokościach Wojskowa lodź podwodna o na pędzie nuklearnym [F] może przez wiele miesięcy działać na głębokościach do 750 m Ba dawcza łódź podwodna Alvm [G] może zejść na głębokość 4000 m Ale najgłębszego jak dotychczas zanurzenia dokona ła w 1960 roku lodź Tneste [H] która dotarła do głębokości ł O 916 m ma itak -r Pimoce nawigacyjne 40 Ropa naftowa 102 104 Prawa przyrody 228 230 236 238 40 Pomoce nawigacyjne W jaki sposób naprowadza się samoloty i statki Startując i lądując w całkowitych ciemnościach czy lecąc tysiące kilometrów bez widoku Ziemi, dzisiejsze samoloty osiągają to, czego nie mogą osiągnąć ptaki lot bez widoczności. Na morzu, na lądzie i w powietrzu tradycyjne umiejętności nawigacyjne wspomagane są elektronicznymi systemami naprowadzania, które działają niezawodnie przy każdej pogodzie. Dzięki danym dotyczącym położenia, pochodzącym z naziemnych i orbitalnych radiolatarni, te nowe systemy pozwalają nawet nowicjuszowi zlokalizować swoje położenie z dokładnością do 10 m. samolot wykonuj okrążenia proceduralne Najdawniejsi żeglarze stosowali prymitywną formę nawigacji i, ustalając kierunek podróży, korzystali z naturalnych punktów odniesienia (charakterystycznych punktów orientacyjnych, gwiazd itp.). Sposoby nawigacji wkrótce zaczęły stawać się coraz niezawodniejsze. Dzięki bardziej szczegółowym mapom morskim oraz dokładniejszym zegarom okrętowym i sekstansom żeglarze mogli dokonywać określonych w czasie obserwacji, dotyczących ruchów Słońca i gwiazd. Przy użyciu roczników astronomicznych - „rozkładów jazdy" ciał niebieskich -z ruchów tych można było wyciągać wnioski, dotyczące położenia określonego przez długość i szerokość geograficzną. Astronomiczne określanie położenia wspomogła nawigacja obliczeniowa, dzięki której położenie statku można było ustalić, znając punkt wyjścia statku, jego prędkość oraz namiar busolą magnetyczną od momentu wyjścia z portu. Te tradycyjne sposoby nawigacji, udoskonalone w XIX wieku, są dalej rozwijane, a czasem nawet zastępowane przez sposoby wynalezione w wieku XX. Busola magnetyczna na przykład jest instrumentem niedokładnym, gdyż bieguny magnetyczne Ziemi w rzeczywistości zmieniają lokalizację w czasie. Co więcej, stalowe kadłuby współczesnych statków zakłócają pole magnetyczne, a to jeszcze zmniejsza niezawodność odczytów. Busolę magnetyczną najpierw zastąpiono żyroskopem, czyli busolą inercyjną. W urządzeniu tym koło zamachowe, obracane z dużą prędkością przez silnik elektryczny, jest połączone z ramą poprzez zestaw elementów obrotowych. Bezwładność wirowania koła zamachowego stawia opór każdej sile (na przykład sile przyciągania ziemskiego), która mogłaby zmienić ustawienie osi wirowania. Jeśli żyroskop raz zostanie ustawiony tak, aby koło wirowało wokół rzeczywistej osi północ-południe, utrzyma tę orientację niezależnie od ruchu statku; dzięki temu może być wykorzystywany do wskazywania namiaru. Wspomaganie świetlne We współczesnych samolotach mechaniczny żyroskop został zastąpiony bardziej niezawodnym żyroskopem laserowym. Składa się on z ciasno zwiniętego światłowodu o długości l km. Światło z pojedynczego lasera jest rozdzielone na dwie wiązki, z których każda skierowana zostaje w jeden koniec światłowodu. W nieruchomym samolocie fale wiązek są dokładnie przesunięte w fazie względem siebie. Wewnątrz światłowodu fale wzajemnie się zakłócają i w konsekwencji wygaszają. Jednakże gdy samolot zmienia kurs, droga jednej wiązki faktycznie wydłuża się, a drugiej skraca: wiązki nie wygaszają się wzajemnie, a natężenie powstałego światła laserowego można przetransponować na dane nawigacyjne w kokpicie. Żyroskopy leżą u podstaw wielu rodzajów systemów naprowadzania, takich jak na przykład sztuczny horyzont, zamontowany w kabinie pilota każdego samolotu. W urządzeniu tym żyroskop obraca się wiązki radlolataime odleglosci systemu lądowania według przyrządów wokół osi poziomej i stale utrzymuje tę oś obrotu, gdy samolot porusza się względem niej. Dzięki sztucznemu horyzontowi pilot może upewnić się, czy po wznoszeniu się, przechyleniu przy skręcie czy nurkowaniu leci prosto i poziomo. Żyroskopy odgrywają także rolę w dwóch głównych komputerowych systemach samolotu - w pilocie automatycznym i w inercyjnym systemie nawigacyjnym (ISŃ). Pilot automatyczny zajmuje się rutynowymi regulacjami kontrolnymi, koniecznymi do stabilnego lotu. Jego dwa żyroskopy reagują na każde odchylenie od zaplanowanego kursu i przekazują tę informację do komputera. Komputer zaś włącza grupy silników, które sterują powierzchniami aerodynamicznymi samolotu. ISN jest systemem nawigacji obliczeniowej, ustalającym położenie samolotu względem jego punktu wyjścia. Zawiera on platformę utrzymywaną w całkowitej stabilności przez zestaw żyroskopów. Na platformie zamocowane są detektory ruchu zwane przyspieszeniomierzami, rejestrujące nawet najmniejsze przyspieszenie samolotu w dowolnym kierunku. Dane te wykorzystywane są do obliczenia położenia samolotu względem jego miejsca startu. Działanie systemów nawigacji obliczeniowej, takich jak ISN, musi być weryfikowane przez porównanie do pewnych punktów odniesienia: w innym wypadku małe błędy w obliczaniu położenia kumulują się szybko i niebezpiecznie. Takimi punktami odniesienia były kiedyś zauważalne charakterystyczne terenowe punkty orientacyjne i radiolatarnie, ale dzisiejsi piloci mają do swojej dyspozycji precyzyjne satelitarne systemy określania położenia. radiolatarma kierunkowa o promieniowaniu okrężnym, pracująca w paśmie VHF Lądowanie kontrolowane Aby bezpiecznie wylądować w każdych warunkach atmo rycznych, piloci linii lotmcz zdają się na system lądował według przyrządów [A] Dwie kierunkowe anteny rad\ wyznaczają granice pasa startowego wysyłają one radiowe fale prowadzące, ktc wskazują linią, środkową past oraz właściwy kąt podejścia < nadlatującego samolotu Przypominająca płot antena radiolatarni kursowej wskazu linią środkową Wytwarza on dwa zachodzące na siebie „listki" fal radiowych, z któr każdy ma nieco odmienną częstotliwość (kolory jasno-i ciemnoczerwony) Instrume pokładowe samolotu porówn siłą obu sygnałów gdy są on dokładnie równe, samolot jes właściwym kursie Jakakolwi Zobacz labę Samoloty: układy 28 Statki 36 Radio 50 Odmierzanie czasu 148 Satelity: orbity 172 Prawa przyrody 238 242 248 254 256 Pomoce nawigacyjne 41 wzestrzeni c\ samolot jest "i.3r jeflb kilometrów od •» A l znajdująca się na atarnia promieniowaniu T -n r^ująca w paśmie J - t * mu dokładne i kierunku tu śledzone kację ~ia. /es/z e lotniska chmiastowe ot musi przez miąć ra/«e wokół Samoloty przynajmniej Poruszanie się za radiolokacją (z lewej) Ruch samolotu siedzi wieża kontrolna lotniska Dzieje się tak dzięki dwom rodzajom radiolokacji Radiolokacja pierwotna to mikrofale wysyłane we wszystkich kierunkach przez obracającą się antenę Odbicia od przelatujących samolotów rejestrowane są przez tę samą antenę, a ich położenia wyświetlane są na ekranie Radiolokacja wtórna jesf systemem nowocześniejszym odpytuje ona samolot który odpowiada wysyłając swój czterocyfrowy sygnał wywoławczy oraz podając swą wysokość (zdjęcie z lewej) Ilustracja ta przedstawia dane pochodzące z obu rodzajów radiolokacji które na ekranie połączone są z zarysem wybrzeża wysłany sygnał radarowy odbity sygnał radarowy radiolokacja pierwotna Kontrola naziemna Oddzielne zespoły kontrolerów ruchu lotniczego na ziemi kierują samolotem podczas 4 rożnych faz jego lotu na ziemi w przestrzeni powietrznej w obrębie 30 km od lotniska w przestrzeni powietrznej w odległości od 30 do 100 km od lotniska a następnie wzdłuż całego korytarza powietrznego lotu samolotu wieża kontrolna budynek lotniska ~oicie h\ ała na dwa nento mno ijac łów iwym pasa stanowego W regular nych odstępach wzdłuż drogi wyznaczonej przez system lądowania według przyrządów radwlatamie nadają sygnały do samolotów przelatujących bezpośrednio nad mmi informując je o dokładnej odległości od lotniska antena radiolatarm kursowej Naprowadzanie ogólnoświatowe Satelitarny system określania położenia [B] to najważniejsze osiągnięcie w dziedzinie nawigacji w XX wieku Mimo iż system ten został wprowadzony przez amerykański Departament Obrony jest on obecnie dostępny dla wszystkich użytkowników W skład satelitarnego systemu określania położenia wchodzą 24 orbitujące na wysokości pas startowy 17 700 km satelity Navstai z których każdy ma zaledwie 5 m długości W każdym miejscu kuli ziemskie] o każdej porze przynajmniej 4 satelity znajdują się ponad horyzontem Każdy satelita Navstar [ł] wyposażony jest w pokładowy zegar atomowy który mierzy czas z ogromną dokładnością oraz w nadajnik wysyłający sygnały czasu na Ziemię Gdy ów sygnał dociera do Ziemi rozprasza się zakreślając koło którego średnica rośnie z czasem Odbiornik satelitarnego systemu określania położenia na pokładzie statku [2] wychwytuje sygnał czasu i porównuje go z własnym wbudowanym zegarem Ponieważ znana jest prędkość fal radiowych pokładowe urządzenie satelitarnego systemu określania położenia może obliczyć dokładną odległość od satelity Komputerowy rocznik astronomiczny w tym urządzeniu zna położenie nadającego satelity a więc nawigator wie ze statek znajduje się gdzieś na kole [3] zakreślonym na powierzchni Ziemskiej Jednoczesne sygnały z kolejnych dwóch satelitów satelitarnego systemu określania położenia [4 5] dają dwa kolejne koła [6 7] które przecinają się w jednoznacznie określonym punkcie Mierząc sygnały czasu z trzech satelitów [8] nawigator może określić położenie statku z dokładnością do 10 m Samoloty wykorzystują sygnały z trzech satelitów satelitarnego systemu określania położenia aby dokładnie znać swoje położenie a dzięki danym z czwartego satelity mogą ustalić wysokość lotu Sygnały satelitarnego systemu określania położenia mogą być odbierane wszędzie na świecie Są one tylko w minimalnym stopniu zakłócane przez pogodę porę roku czy położenie