ENCYKLOPEDIA TECHNIKI Z angielskiego prze�o�yli Agata i Andrzej Kocha�scy Warszawa, �WIAT KSI��KI, 1998 Tytu� orygina�u The Encyclopedia of Science in Action Projekt ok�adki i stron tytu�owych Cecylia Stamszewska, Ewa �ukasik Zdj�cie na ok�adce AG� East News Konsultacja Piotr Bembinow, Daniela Demianiuk, Piotr Dryja�ski, Piotr Goldstein, Micha� Gomuli�ski, Manna Kirschke, Tomasz Kwast, Czes�aw �epkowski 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 zastrze�one. �adna cz�� niniejszej publikacji nie mo�e by� reprodukowana, przechowywana jako �r�d�o danych, przekazywana w jakiejkolwiek formie bez pisemnej zgody posiadaczy praw. Licencyjne wydanie Bertelsmann Media Sp. z o.o. za zgod� Bertelsmann Lexikon Yerlag GmbH, 1998 � Copyright for the Polish translation by Agata i Andrzej Kocha�scy oraz Bertelsmann Media Sp. z o.o., 1998 �wiat Ksi��ki, Warszawa 1998 ISBN 83-7129-794-7 Nr 1999 Autorzy tekst�w Scott Beagne Clifford Bishop David B rodie Tobias Chapman Chris Cooper Paul Doughty Nigel Dudley Profesor John Durant Roger Ford Dr �an 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 G��wni autorzy ilustracji Mik� Badrocke Hugh Dixon Eugene Fleury Ro� Haywood Trevor Hill Ed Stuart David Russell Leslie D. Smith Inni Roy Flooks Mick Gillah Pavel Kostel Roddy Murray Jim Robins Colin Ros� 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 S�ysza�em kiedy� opowie�� o pewnym antropologu, kt�ry bada� jedno z plemion zamieszkuj�cych puszcze po�udniowoameryka�skie. Jak to antropologowie maj� w zwyczaju, sp�dzi� tam wiele miesi�cy, �yj�c w wybranej przez siebie spo�eczno�ci, i oczywi�cie pozna� j� ca�kiem nie�le. Pewnego dnia wyja�ni� nowym przyjacio�om, �e musi powr�ci� do swego plemienia na kilka tygodni; mi�dzy innymi potrzebowa� �wie�ej porcji papieru i o��wk�w do pracy. To wyja�nienie spowodowa�o pewne zdziwienie w�r�d tubylc�w. Zapytali antropologa, z czego robione s� o��wki i papier. Gdy dowiedzieli si�, �e z drzewa, odparli: �No c�, tutaj jest mn�stwo drzew. Dlaczego wi�c sam nie zrobisz sobie papieru i o��wk�w?". Nauka i technika zmieni�y nasze �ycie, ale nie ca�kiem w taki spos�b, jak cz�sto my�limy. Oczywi�cie, da�y nam ogromn� porcj� nowej wiedzy i mo�liwo�ci. Od produkcji samochod�w do tworzenia sieci komputerowych, od wytwarzania energii w elektrowniach wodnych do transplantacji serca, mo�emy robi� rzeczy, o kt�rych nasi przodkowie nawet nie marzyli. Jednak�e nie dzieje si� tak dlatego, �e jeste�my m�drzejsi czy zdolniejsi ni� oni. Prawda wygl�da tak, �e �yjemy w wieku specjalist�w i jeste�my zale�ni od innych, je�li chodzi o wi�kszo�� rzeczy, kt�rych potrzebujemy w �yciu codziennym. Tam gdzie kultury przednau-kowe s� zadziwiaj�co samowystarczalne, my znajdujemy si� w tej samej sytuacji, co antropolog: zwracamy si� do innych, aby dostarczyli nam papieru i o��wk�w. Istnieje wiele zalet specjalizacji, ale jest te� przynajmniej jedna ogromna wada. We wsp�czesnym skomplikowanym �wiecie pojawia si� rzeczywiste ryzyko, i� mo�emy ca�kowicie straci� kontakt z naukowym i technicznym wymiarem naszego �ycia codziennego. Wraz z rosn�cym tempem zmian naukowych i technicznych ryzyko to nieustannie wzrasta. Przej�cie od papieru i o��wka do druku zaj�o tysi�clecia, ale przej�cie od druku do �rodk�w masowego przekazu to ju� tylko wieki, przej�cie za� od �rodk�w masowego przekazu do Internetu to zaledwie kilka dziesi�cioleci. Dzisiaj stoimy w obliczu zalewu ci�gle nowych technik komunikacyjnych, a zjawisko to zda si� nie mie� ko�ca. I rzeczywi�cie, zuchwa�y jest ten, kto odwa�y si� prorokowa�, co jeszcze b�dzie przed nami. Dlaczego wa�ne jest, aby�my nie tracili kontaktu z nauk� i technik�? No c�, po pierwsze, odczuwamy potrzeb�, aby co� o tym wiedzie�. Chcemy pojmowa� nasz �wiat: zrozumie� na przyk�ad, dlaczego byli�my w stanie wys�a� ludzi na Ksi�yc, ale nie zdo�ali�my (jak dot�d) znale�� lekarstwa na raka, i dlaczego mo�emy patrze� w przesz�o�� za pomoc� pot�nych teleskop�w, ale nie mo�emy przewidzie� na pewno, co stanie si� z wszech�wiatem. Musimy radzi� sobie z nasz� rzeczywisto�ci� - dokonywa� rozumnych decyzji osobistych, dotycz�cych na przyk�ad stylu �ycia i troski o zdrowie. I musimy rzeczywi�cie wsp�tworzy� nasz �wiat -wyrabia� sobie m�dre s�dy w kwestiach politycznych, odnosz�cych si� do nauki i techniki, na przyk�ad polityki energetycznej, autostrady informacyjnej i zanieczyszczenia �rodowiska. W ka�dym przypadku mo�emy w �yciu dzia�a� zdecydowanie skuteczniej, je�li mamy pewne poj�cie o nauce i technice. Nauka i technika to dziedziny nie tylko u�yteczne, ale tak�e interesuj�ce. My, ludzie, jeste�my istotami ciekawymi i chcemy wiedzie�, co si� dzieje. Dzieci przejawiaj� pewnie najwi�cej ciekawo�ci ze wszystkich i cz�sto m�wi si�, �e naukowcy i wynalazcy to w rzeczywisto�ci doro�li, kt�rzy nigdy nie zatracili tej dzieci�cej ciekawo�ci, pytaj�c, jak �wiat dzia�a Przedmowa czy te�, jak mo�e dzia�a�. Jak to mo�liwe, �e maszyny mog� zaprzecza� sile grawitacji, gra� w r�ne gry czy tworzy� dok�adne tr�jwymiarowe obrazy wn�trza czyjej� g�owy, nie powo-* duj�c nawet zadrapania sk�ry? Nie musimy tego wiedzie�, aby lata� samolotem, gra� z komputerem w szachy czy si� podda� badaniom lekarskim. Je�li jednak maj� Pa�stwo w sobie cho�by odrobin� dociekliwo�ci, niemo�liwe jest, aby�cie robili kt�r�kolwiek z tych rzeczy przynajmniej bez zastanowienia si�. Encyklopedia techniki jest skierowana do ka�dego, kto ma w sobie ciekawo�� nauki i techniki. Stanowi ona doskona�e wprowadzenie w �wiat wynalazk�w, dzi�ki kt�rym pracujemy, prowadzimy nasze domy i bawimy si�. Zajmuje si� zar�wno tradycyjnymi �ci�szymi" dziedzinami techniki, zwi�zanymi na przyk�ad z transportem, wytwarzaniem energii czy produkcj�, jak i wsp�czesnymi �l�ejszymi" dziedzinami, takimi jak technika informacji czy biotechnika; dodatkowo przedstawia wiele kluczowych praw naukowych, kt�re le�� u podstaw tych dziedzin techniki. W wypadku ka�dego zagadnienia jasny opis towarzyszy pobudzaj�cym wyobra�ni� ilustracjom, kt�re pokazuj� krok po kroku, jak wszystkie te rzeczy dzia�aj�. Nie mo�na przewidzie� przysz�o�ci. Jedyne, co mo�na powiedzie� z pewno�ci�, to to, �e -cz�ciowo dzi�ki odkryciom naukowym i innowacjom technicznym - przysz�o�� r�ni� si� b�dzie od przesz�o�ci. Je�li mamy sobie radzi� z gwa�townie zmieniaj�cym si� �wiatem, to nie mo�emy by� naukowymi i technicznymi analfabetami. Nasza ilustrowana Encyklopedia techniki jest idealnym sposobem, aby zacz�� nauk�. Prof. John Durant Muzeum Nauki w Londynie Kilka s��w o tej ksi��ce Produktami ko�cowymi innowacji technicznych s� urz�dzenia i procesy, kt�re kszta�tuj� nasze �ycie codzienne. Encyklopedia techniki podzielona jest na siedem cz�ci tematycznych: \ Transport, Informacja i rozrywka, Technika w domu, Energetyka i produkcja, Nauka i medycy- / na, Przestrze� kosmiczna oraz Cz�steczki i substancje, odzwierciedlaj�cych sposoby wykorzystywania tych�e produkt�w. Te g��wne cz�ci tematyczne podzielone s� na dwustronicowe rozdzia�y, z kt�rych ka�dy odnosi si� do wybranego zagadnienia technicznego. W poszczeg�lnych rozdzia�ach przyk�ady urz�dze� lub podstawowych proces�w produkcyjnych przedstawione s� szczeg�owo na du�ej kolorowej ilustracji wraz z pe�nym obja�nieniem w postaci r�wnie szczeg�owych podpis�w. Dodatkowe ilustracje, zdj�cia oraz zasadniczy tekst ukazuj� szerszy kontekst oraz stanowi� wprowadzenie do tych aspekt�w wiedzy naukowej, z kt�rych dana dziedzina techniki robi u�ytek. Ka�dy dwustronicowy rozdzia� siedmiu g��wnych cz�ci tematycznych stanowi zamkni�t� ca�o��, pozwalaj�c� na szybkie zrozumienie pojedynczego zagadnienia. Aby jednak zrobi� z tej ksi��ki pe�ny u�ytek, nale�y korzysta� z odsy�aczy pod nazw� Zobacz tak�e, wymienionych u do�u ka�dego rozdzia�u. Odsy�acze te wskazuj� inne, powi�zane z danym tematem, dziedziny techniki. Stanowi to odzwierciedlenie faktu, �e �yjemy w bardzo skomplikowanym �wiecie, w kt�rym rozw�j jednej dziedziny techniki jest uzale�niony od istnienia drugiej i w kt�rym procesy produkcji s� w znacznym stopniu wzajemnie od siebie zale�ne. Na przyk�ad wie�e wiertnicze s�u�� temu, aby dostarcza� ropy rafineriom, kt�re z kolei s� dostawcami paliwa dla elektrowni oraz surowca dla przemys�u chemicznego; wie�e wiertnicze za� s� obs�ugiwane przez olbrzymie tankowce, a ich konserwacje i naprawy przeprowadzaj� nurkowie i zdalnie sterowane �odzie podwodne. �ledz�c relacje przedstawione w odsy�aczach mo�na nie tylko uzyska� pe�niejszy obraz tego, jak dzia�a wie�a wiertnicza, ale tak�e dostrzec, jak r�ne dziedziny techniki i ga��zie przemys�u s� ze sob� powi�zane. Odsy�acze s�u�� jeszcze jednemu istotnemu celowi odnosz�c si� do poszczeg�lnych rozdzia��w w cz�ci zatytu�owanej Prawa przyrody, znajduj�cej si� na ko�cu tej ksi��ki. Kr�tkie teksty, ilustrowane prostymi diagramami, wyja�niaj� podstawowe elementy wiedzy naukowej, wykorzystywanej w wynalazkach technicznych. Te podstawowe aspekty wiedzy naukowej przedstawione s� ca�kowicie bez u�ycia aparatu matematycznego, poprzez odwo�ywanie si� do codziennych przyk�ad�w, dzi�ki czemu staj� si� �atwo zrozumia�e tak�e dla laika. Spis tre�ci l Transport 3 Technika w domu Silnik spalinowy wewn�trznego spalania 12 Samochody: uk�ady 14 Samochody: bezpiecze�stwo 16 Samochody: nowe rozwi�zania 18 Poci�gi 20 Systemy kolejowe 22 Silniki odrzutowe 24 Samoloty: aerodynamika 26 Samoloty: uk�ady 28 Helikoptery (�mig�owce) 30 Samoloty: nowe rozwi�zania 32 Poduszkowce i wodoloty 34 Statki 36 Technika podwodna 38 Pomoce nawigacyjne 40 2 Informacja i rozrywka Sprz�t audio 44 Telefony 46 Telefony kom�rkowe i �wiat�owody 48 Radio 50 Rejestrowanie d�wi�ku 52 P�yty kompaktowe 54 Telewizja 56 Technika wideo 58 Telewizja: nowe rozwi�zania 60 Aparaty fotograficzne 62 Kamery filmowe 64 Efekty specjalne 66 B�ona fotograficzna 68 Lasery i holografia 70 Sprz�t biurowy 72 Techniki przygotowania do druku 74 Drukowanie 76 Komputery: budowa 78 Komputery: pami�� i zapisywanie danych 80 Komputery: sieci 82 Komputery: nowe rozwi�zania 84 Warunki klimatyczne w pomieszczeniach Obr�bka produkt�w spo�ywczych Czyszczenie Elektryczno�� w domu �My�l�cy" budynek 4 Energetyka i produkcja G�rnictwo Ropa naftowa: poszukiwania Ropa naftowa: wydobycie Elektrownie Energetyka j�drowa Energetyka j�drowa: nowe rozwi�zania l Odnawialne �r�d�a energii: S�o�ce i wiatr l H li H li 11 Odnawialne �r�d�a energii: Ziemia Przesy�anie energii elektrycznej Mosty Tunele Drapacze chmur Produkcja papieru Produkcja uk�ad�w scalonych Roboty Utylizacja odpad�w 5 Nauka i medycyna Obiektywy i mikroskopy Mikroskopy elektronowe Teleskopy Spektrografy Analiza chemiczna Akceleratory cz�stek Miniaturyzacja Odmierzanie czasu Promieniowanie i medycyna Rezonans magnetyczny Ultrad�wi�ki i medycyna Monitorowanie ludzkiego organizmu Mikrochirurgia l l l i: i: i: i: i: i: i: i: i: li li li li li Przestrze� 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 rozwi�zania 180 Cz�steczki i substancje iz>Tiieria chemiczna ?-j_nnacja ropy naftowej P^dukcja stali Jtr�bka metali P jmery Materia�y zaawansowane Biotechnologia "* wrzenie piwa : - dki farmaceutyczne in�ynieria genetyczna: Tganizmy ni�sze _^i}Tueria genetyczna: jrganizmy wy�sze izynieria genetyczna: ludzie 184 186 188 190 192 194 196 198 200 202 204 206 Prawa przyrody Wst�p W�a�ciwo�ci materii Atomy i pierwiastki Atomy, elektrony i energia Uk�ad okresowy Wi�zania chemiczne Energia i reakcje chemiczne Chemia w�gla Materia, ciep�o i energia Cia�a sta�e Ciecze Gazy Mieszaniny i roztwory Przemiany energii Mechanika Si�y w r�wnowadze Cia�a w ruchu Praca, energia i moc Ruch obrotowy Elektryczno�� i magnetyzm Elektrostatyka Pr�dy elektryczne Magnetyzm i elektromagnetyzm Obwody elektryczne P�przewodniki Uk�ady elektroniczne Elementy logiczne i cyfrowe Natura fali D�wi�k i s�uch Fale elektromagnetyczne Zwierciad�a i soczewki �wiat�o, kolor i wra�enia wzrokowe �� Fizyka j�drowa Promieniotw�rczo�� Si�y natury Jednostki S�owniczek wa�niejszych termin�w Indeks Podzi�kowania 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 pracuj� przez ca�� dob� Czynno�ci powtarzalne, takie jak punktowe zgrzewanie karoserii, wykonywane s� przez roboty z bezbl�dn� precyzj� l Transport Silnik spalinowy wewn�trznego spalania Samochody: uk�ady Samochody: bezpiecze�stwo Samochody: nowe rozwi�zania Poci�gi Systemy kolejowe Silniki odrzutowe Samoloty: aerodynamika Samoloty: uk�ady Helikoptery (�mig�owce) Samoloty: nowe rozwi�zania Poduszkowce i wodoloty Statki Technika podwodna Pomoce nawigacyjne 12 Silnik spalinowy wewn�trznego spalania Jak pracuje silnik spalinowy wewn�trznego spalania Ka�dego roku przemys� produkuje ponad 300 000 000 pojazd�w, z kt�rych prawie wszystkie nap�dzane s� przez jaki� rodzaj silnika spalinowego wewn�trznego spalania. Silniki te tworz� ca�y wachlarz typ�w, od male�kich jednocylindrowych silniczk�w nap�dzaj�cych modele lotnicze do 20-litrowych silnik�w dieslowskich z turbospr�ark� do�adowuj�c� (zaopatrzone s� w nie ci�ar�wki budowlane), kt�rych moc jest wi�ksza ni� moc 15 �rednich samochod�w osobowych. Podstawowa konstrukcja silnika benzynowego niewiele si� zmieni�a od czasu wynalezienia go przez Benza i Daimlera, ale dzisiejsze silniki maj� setki razy wi�ksz� moc i wy�sz� sprawno�� dzia�ania. Ch�odzenie Silniki spalinowe wytwarzaj� wi�cej zb�dnego ciep�a ni� u�ytecznej energii. Dlatego system ch�odzenia [C] jest niezb�dny, aby zapobiega� przegrzaniu. Ka�dy cylinder otoczony jest �p�aszczem" rurek. Przez nie t�oczona jest woda ch�odzona powietrzem op�ywaj�cym cienkie rurki ch�odnicy. Ca�y ten system znajduje si� pod ci�nieniem, wi�c woda mo�e nagrzewa� si� do 12(J�C, nie dochodz�c d wrzenia. P�ynn� prac� silnika zapewnia smarowanie. Pompa zasysa olej z miski olejowej, filtruje go i podaje pod du�ym ci�nieniem na wa� korbowy i �o�yska wa�u. Samoch�d jad�cy z du�� pr�dko�ci� poruszany jest przez ponad 100 niewielkich wybuch�w, nast�puj�cych w jego silniku w ka�dej sekundzie. W typowym silniku z obiegiem Otto �atwo palna mieszanka paliwa i powietrza jest zasysana do cylindra nad poruszaj�cym si� t�okiem i spr�ana do oko�o jednej �smej swej pierwotnej obj�to�ci. Iskra ze �wiecy zap�onowej zapala mieszank�, kt�rej wybuchowe spalanie si� przesuwa t�ok w d�. Ruch t�oka w g�r� i w d� jest przekszta�cany przez wy-korbienie i korbow�d w ruch obrotowy wa�u korbowego. W samochodzie wykorzystane jest to do obracania k�, ale ruch obrotowy mo�e by� r�wnie dobrze przeniesiony na �mig�o samolotu czy wa� pr�dnicy. Spalanie jest niezwykle egzotermiczn� reakcj� chemiczn�, wydzielaj�c� znaczn� ilo�� ciep�a, kt�re zwi�ksza ci�nienie gaz�w spalinowych. Dodatkowo, produkty gazowe reakcji maj� wi�ksz� obj�to�� ni� mieszanka paliwowo-powietrzna, z kt�rej powstaj�, co znacznie wzmacnia efekt dzia�ania. R�nica ci�nie� gaz�w oznacza, i� si�a wytworzona przez gazy spalinowe pchaj�ce t�ok w d� jest wi�ksza ni� ta, kt�ra jest potrzebna do spr�enia pierwotnej mieszanki paliwowo-powietrznej. Ta dodatkowa energia stanowi produkt u�yteczny pracy silnika. Bardzo niewiele silnik�w pracuje stale z t� sam� pr�dko�ci� czy te� stale produkuje t� sam� moc. Gdy samoch�d zaczyna pokonywa� wzniesienie, jego silnik musi osi�gn�� wi�ksz� moc, obracaj�c si� jednocze�nie z t� sam� pr�dko�ci�. Kierowca przyciska wtedy peda� przepustnicy ga�nika, czego skutkiem jest wpuszczenie wi�kszej obj�to�ci powietrza i paliwa do ka�dego cylindra. Wi�ksza ilo�� paliwa oznacza pot�niejszy wybuch, a co za tym idzie, wi�ksz� si�� obracaj�c� dzia�aj�c� na wa� korbowy. Dawniej ilo�� zasysanego powietrza i paliwa kontrolowana by�a poprzez ga�nik, ale obecnie znacznie cz�ciej zajmuje si� tym elektroniczny system wtrysku paliwa i kontroli silnika. Kontroluje on mieszank� paliwowo-powietrzn� ��cznie z momentami pojawiania si� iskry zap�onowej. Chodzi o to, by silnik stale pracowa� sprawnie i nie zanieczyszcza� �rodowiska. Inne mo�liwo�ci techniczne W cyklu czterosuwowym ka�dy cylinder wytwarza energi� tylko przez jedn� czwart� czasu. To wyja�nia, dlaczego wi�kszo�� typowych silnik�w ma 4 cylindry. Jeden z nich zawsze musi wytwarza� si�� stale obracaj�c� wa� korbowy. Zastosowanie jeszcze wi�kszej liczby cylindr�w sprawia, i� suwy robocze t�ok�w nak�adaj� si� na siebie, dzi�ki czemu praca silnika jest p�ynniejsza, a wi�c silniki 6-, 8- czy 12-cylindrowe s� popularne w luksusowych samochodach. W czterech suwach W wi�kszo�ci samochod�w osobowych wykorzystywany jest czterosuwowy silnik z obiegiem Otto [A]. W suwie ssania [1] obracaj�cy si� wa� korbowy porusza t�ok w d�, zasysaj�c w ten spos�b mieszank� paliwowo-powietrzna przez otwarty zaw�r wlotowy. Zaw�r ten zamyka si�, gdy t�ok podnosi si� w suwie spr�ania [2], w kt�rym mieszanka jest w cylindrze spr�ana. W ko�cowym momencie ruchu t�oka w g�r� iskra ze �wiecy zap�onowej zapala mieszank�. Gwa�townie wytworzone ciep�o rozpr�a gaz, powoduj�c ruch t�oka w d� w suwie pracy [3], Gdy t�ok zaczyna porusza� si� w g�r� w suwie wydechu [4], otwiera si� zaw�r wydechowy i wypuszcza spaliny na zewn�trz. zaw�r wlotowy �wieca zap�on�w wtryskiwacz; paliwa wa� korbowy Silnik na olej nap�dowy Silnik Diesla (wysokopr�ny) [B] ma budow� podobn� do budowy silnika z obiegiem Ot, W fazie [1] zasysane jest wy��cznie powietrze, kt�re spr�ane jest do obj�to�ci 22 razy mniejszej ni� obj�to�� pierwotna [2]. Proporcja spr�enia jest w tym wypadku zdecydowanie wi�ksza ni� w wypadku silnika z zap�onen iskrowym. To ogromne ci�nienie podgrzewa powietrze do wysokiej temperatury. Gdy olej nap�dowy wtryskiwany jest w g�rnej fazie suwu [3], nast�puje jego samoczynny zap�on, a wybuch ponownie porusza t�ok w d� [4]. Gdy ruch wa�u korbowego pcha t�ok jeszcze raz w g�r�, otwiera si� zaw�r wydechowy, co umo�liwia wydostanie si� gaz�w spalinowych [5]. Zobacz tak�e: 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 wa�ek rozrz�du pasek rozrz�du mieszanka paliwowo-powietrzna mieszanka ~ pahwowo-powietrzna Blok silnika W 16-zaworowym silniku [D] mieszanka paliwowo-powietrzna wp�ywa z kolektora wlotowego do ka�dego z 4 cylindr�w przez zawory wlotowe S� one otwierane i zamykane w pomoc� walka rozrz�du poruszanego przez wal korbowy za po�rednictwem paska rozrz�du T�oki, kt�re obracaj� wal korbowy poprzez korbowody, ?� tak ukszta�towane, aby modu� elektroniczny 13 czysto�� zesnych silnik�w . h jest w modu�y , zapewniaj�ce ich ~?t� prac� przy bci�zemach [E] zny to � ~ czujnikami �ymi pozycje peda�u ia i hamulca, sk�ad tolektorze wlotowym i wydechowym, pr�dko�� silnika oraz temperatur� zasysanego powietrza Wykorzystuje te dane, aby kontrolowa� ilo�� paliwa wtryskiwanego do ka�dego cylindra oraz moment, w kt�rym iskrzy �wieca zap�onowa Szkodliwe produkty spalania w gazach spalinowych usuwane s� przez katalizator �zawirowywa�" mieszank� pali wowo-powietrzn�, zapewniaj�c w ten spos�b optymalne spalanie. Drugi wa�ek rozrz�du otwiera zawory wydechowe, przez kt�re wydostaj� si� gazy spalinowe 4 zawory w ka�dym cylindrze pozwalaj� na spalanie wi�kszej ilo�ci paliwa i powietrza w ka�dym cyklu, dzi�ki czemu wytwarzana jest wi�ksza energia Ustawienie cylindr�w wzgl�dem siebie tak�e mo�e by� r�ne. W uk�adzie V ka�de wykorbienie waha korbowego po��czone jest z dwoma cylindrami, dzi�ki czemu silnik mo�e by� znacznie kr�tszy. Cylindry w silniku typu bokser u�o�one s� w dw�ch zespo�ach naprzeciw siebie. Obieg Otto nie jest jedynym sposobem spalania paliwa. Silnik Diesla (silnik wysokopr�ny) spr�a powietrze w znacznie wi�kszym stopniu i wykorzystuje powsta�e w ten spos�b ciep�o do zap�onu paliwa wtryskiwanego do cylindra. Taki silnik jest sprawniejszy ni� silnik benzynowy, lecz jednocze�nie ci�szy, gdy� jego cz�ci sk�adowe musz� wytrzymywa� dzia�anie wi�kszych si�. Silnik wcale nie musi mie� cylindr�w Silnik Wankla chwyta powietrze i paliwo w szczelin� pomi�dzy obrotowym tiokiem a specjalnie ukszta�towan� obudow�. Szczelina ta zmienia obj�to�� wraz z obracaniem si� t�oka, spr�aj�c mieszank�, dop�ki nie zapali jej iskra. Gazy spalinowe wype�niaj� powi�kszaj�c� si� teraz szczelin� i poruszaj� w ten spos�b t�ok, daj�c lekkie i r�wnomiernie pracuj�ce �r�d�o energii. 14 s�upek drzwiowy t Samochody: uk�ady Jak pracuj� samochodowe uk�ady przenosz�ce i skrzynie bieg�w W ci�gu jednego stulecia samoch�d przekszta�ci� si� z kosztownej zabawki ludzi bogatych w codzienny �rodek transportu dla mas. Ogromne zapotrzebowanie na samochody - co roku produkuje si� ich oko�o 40 000 000 - sprawia, i� producenci intensywnie wsp�zawodnicz� ze sob� o coraz wi�ksz� wygod�, bezpiecze�stwo, ekonomiczno�� i coraz ni�sz� cen� produkowanych pojazd�w. Takie czynniki ��cznie z ograniczeniami charakterystycznymi dla in�ynierii produkcji masowej oznaczaj�, i� wi�kszo�� samochod�w skonstruowana jest wed�ug tych samych podstawowych zasad. Ale wykonywane na zam�wienie pojazdy, zdolne do rozwijania pr�dko�ci ponad 350 km/h, wci�� s� popularne w�r�d najzamo�niejszych. Wsp�czesny samoch�d sk�ada si� z kilku r�nych skomplikowanych uk�ad�w, przy czym wszystkie maj� za zadanie kontrolowanie funkcjonowania pojazdu. Mimo bardzo zr�nicowanych kszta�t�w nadwozia wi�kszo�� samochod�w jest pod tym nadwoziem bardzo podobna. Prawie zawsze zamontowany jest w samochodzie silnik spalinowy wewn�trznego spalania, nap�dzaj�cy przednie ko�a niniejszych pojazd�w lub tylne ko�a pojazd�w wi�kszych za po�rednictwem sprz�g�a i skrzyni bieg�w. Silnik, cho� cz�sto wyposa�ony w elektroniczne modu�y odpowiedzialne za maksymalizowanie jego mocy i minimalizowanie zanieczyszczenia �rodowiska, jest zasadniczo takiego samego typu, jak ten, kt�ry montowano do samochod�w od pocz�tk�w ich produkcji. A jednak wsp�czesne samochody wygl�daj� zdecydowanie inaczej. Ich op�ywowe i zaokr�glone kszta�ty s� doskonalone przy u�yciu program�w komputerowych wspomagaj�cych projektowanie, tak aby do minimum ograniczy� zawirowania powietrza powstaj�ce przy ruchu samochodu. To zmniejsza op�r powietrza, na jaki napotyka samoch�d, i w ten spos�b pozwala zmniejszy� zu�ycie paliwa oraz osi�ga� wi�ksze pr�dko�ci. Na biegu Silnik samochodowy wytwarza energi� u�ytkow�, gdy wykonuje od 3000 do 5000 obrot�w na minut�. Ale ko�a samochodu, kt�re nios� go po drodze, musz� w najlepszym razie obraca� si� zaledwie 1000 razy w ci�gu ka�dej minuty. W samochodzie jest wi�c konieczna skrzynia bieg�w, obs�ugiwana albo r�cznie, albo automatycznie. Oba rodzaje skrzyni dzia�aj� w podobny spos�b, przekszta�caj�c szybkoobrotowy ruch silnika na ruch o mniejszej liczbie obrot�w na minut�, potrzebny ko�om pojazdu. Silniki wytwarzaj� energi� u�ytkow� tylko w stosunkowo w�skim zakresie pr�dko�ci, koniecznych wi�c jest kilka prze�o�e�, aby umo�liwi� poruszanie si� samochodu w szerokim zakresie pr�dko�ci. R�czna skrzynia bieg�w po��czona jest z silnikiem poprzez sprz�g�o, co umo�liwia od��czenie nap�du, w czasie gdy wybiera si� nowe prze�o�enie. Tarcza na kole zamachowym silnika pokryta jest materia�em o wysokim wsp�czynniku tarcia. Silna spr�yna dociska t� tarcz� do tarczy o podobnym pokryciu, po��czonej z wa�kiem skrzyni bieg�w, przenosz�c w ten spos�b obroty. Wci�ni�cie peda�u sprz�g�a sprawia, �e spr�yna od��cza si� od nap�dzanej tarczy, uwalniaj�c j� i uniemo�liwiaj�c przenoszenie obrot�w. Automatyczne skrzynie bieg�w nie maj� sprz�g�a. Obroty silnika przenoszone s� przez przemiennik momentu obrotowego. Nie ma w nim bezpo�redniego po��czenia pomi�dzy wa�kami wej�cia i wyj�cia. Zamiast tego silnik obraca wirnik, kt�ry, t�ocz�c olej, wymusza obroty wirnika turbiny zamocowanej do skrzyni bieg�w. Sprz�g�o hydrauliczne dopuszcza po�lizg - gdy elementy o przekroju skrzynkowym waha�. Ukszta�towany dla bezpiecze�stwa Nadwozie wsp�czesnego samochodu [A] jest konstrukcj� skorupow� - jego wytrzyma�o�� wynika z kszta�tu precyzyjnie wykonanych i zespawanych p�yt z cienkie] blachy. Fragmenty nara�one na dzia�anie najwi�kszych sil, np. s�upki drzwiowe, zrobiono z jeszcze wytrzymalszych element�w o przekroju skrzynkowym, a silnik i zawieszenie zamocowano na oddzielnych ramach pomocniczych. P�yty karoserii z przodu i z ty�u oraz p�yta pod�ogowa s� tak zaprojektowane, aby ulega�y zgmecemu w zderzeniu. Energia uderzenia powinna by� poch�aniana stopniowo, si�y dzia�aj�ce na pasa�er�w � zmniejszone. Wzmocnienia boczne daj� wi�ksz� �wytrzyma�o�� nara�onym na uszkodzenie bokom samochodu. przednia rama pomocnicza stabilizator -poprzeczny Uk�ad kierowniczy Jednym z najbardziej popularnych typ�w przedniego zawieszenia jest zawieszenie MacPhersona [B]. Uk�ad resoru i amortyzatora umo�liwia ruch pionowy ko�a, podczas gdy dolny wahacz zapobiega jego ruchowi do przodu i do ty�u. Stabilizator poprzeczny ��czy dwie strony uk�adu zawieszenia, aby utrzyma� samoch�d w stosunkowo r�wnej pozycji podczas skr�cania. Kierownic dla bezpiecze�stwa po��czona jest �aman� kolumn� z ma�ym ko�em przek�adni z�batej. Porusza ono w jedn� i w dru� stron� listw� z�bat�. Pol�czor z jej ko�cami dr��ki kierownicze poprzeczne przenosz� ten ruch na ko�a. Zobacz takie: Silnik spalinowy wewn�trznego spalania 12 Samochody 16 18 Rafinacja ropy naftowej 186 Prawa przyrody 220 222 224 228 230 236 238 240 242 p�yta karoserii Samochody: "k�ady 15 cz�ci poruszaj� si� z r�nymi pr�dko�ciami - ale przy wi�kszych pr�dko�ciach cz�ci te mog� by� tak�e po��czone sztywno w celu osi�gni�cia maksymalnej sprawno�ci pracy silnika Biegi mog� by� zmieniane albo hydraulicznie, albo - w nowocze�niejszych samochodach - za pomoc� komputera Kontroluje on pr�dko�� ruchu pojazdu, ustawienie przyspieszacza oraz obci��enie silnika i wybiera najlepszy moment na zmian� prze�o�enia Utrzyma� ko�a na jezdni Zawieszenie jest jedn� z najtrudniejszych do zaprojektowania cz�ci samochodu Ma ono za zadanie utrzymanie k� samochodu w styczno�ci z drog�, gdy samoch�d hamuje, przyspiesza lub skr�ca Wiele r�nych uk�ad�w przenosz�cych sprawia, i� ko�a mog� porusza� si� w pionie, me mog� za� porusza� si� do przodu i do ty�u przy hamowaniu czy przyspieszaniu Resory umo�liwiaj� odpowiedni ruch pionowy Jednak�e, tak jak wszystkie przedmioty na spr�ynach, samochody ko�ysa�yby si� d�ugo po przejechaniu wyboju, gdyby me mia�y amortyzator�w S� to teleskopowe cylindry wype�nione g�stym olejem, kt�ry stawia op�r gwa�townemu ruchowi Dzi�ki temu wahania w gor� i w d� s� wyhamowywane Typowy meduzy samoch�d osobowy ma nap�d na przedm� ko�a, kt�re zamocowane s� na zawieszeniu MacPhersona Sk�ada si� ono z resoru zamontowanego dooko�a d�ugiego, tworz�cego pionowe po��czenie teleskopowego amortyzatora i dolnego wahacza Wierzcho�ek amortyzatora jest przykr�cony do gniazda amortyzatora, specjalnie wzmocnionego fragmentu nadwozia, a ruchom do przodu i do ty�u jego dolnego ko�ca zapobiega uk�ad wahacza Utrzyma� w�a�ciw� lini� Tylne zawieszenie samochodu [C] ma stosunkowo skomplikowane zadanie do wykonania Koniecznych jest wiele ro�nych po��cze� Z nadwoziem aby utrzyma� podczas ruchu prostopadle po�o�enie ko�a wzgl�dem drogi Tak naprawd� w nowocze�niejszych konstrukcjach podczas skr�cania ko�o jest nachylone lekko do wewn�trz aby umo�liwi� �agodniejsze prowadzenie Resory zwojowe t�umi� ruch samochodu ale same powodowa�yby ko�ysanie si� samochodu jeszcze d�ugo po przejechaniu wyboju Zapobiegaj� temu amortyzatory kt�re stawiaj�c op�r t�umi� wszystkie gwa�towniejsze ruchy pionowe pojazdu Zmieniaj�c biegi Skrzynia bieg�w przekszta�ca szybkoobrotowy ruch silnika na ruch koi je dnych o wolniejszych obrotach Ka�de prze�o�enie ok�ada si� <, pary koi ^to ko\ ydi kto�c swobodnie ob�auij�si� na wa�ku wej�cia i wa�ku wyj�cia wa� nap�dowy mechanizm r�nicowy � dop�ki me zostan� �cis�e po��czone przez sprz�g�a k�owe Pierwszy bieg [D] wykorzystuje ma�e prze�o�enie na wa�ku wej�cia do obraca na it_h c go ko�a sto�kowego na i a�ku wyj�cia Przy pi�tym biegu [E] ko�a sto�kowe na obu wa�kach maj� podobn� wielko�� wi�c wa�ek wyj�cia obraca si� znacznie szybciej Ze skrzyni bieg�w ruch obrotowy przekazywany jest na ko�a poprzez mechanizm r�nicowy dzi�ki kt�remu ko�a mog� obiacac. si� z ro�n� pr�dko�ci� przy sh�camu Gdy samoch�d jedzie prosto [F] oba wa�y nap�dowe obracaj� si� z t� \an � pr�dko�ci� Jesh jedno k � c sr zablokowane [G] przek�adnia sto k a hiata si� w taki spos�b c n uch obrotowy przekazywany jest na ko�o swobodne 16 Samochody: bezpiecze�stwo W jaki spos�b samochody umo�liwiaj� unikni�cie wypadk�w i ich prze�ycie Mimo �e samoch�d zrewolucjonizowa� wsp�czesne �ycie, sta� si� r�wnie� przyczyn� wielu tysi�cy �miertelnych wypadk�w ka�dego roku. Poruszaj�cy si� z du�� pr�dko�ci� samoch�d jest jak dwutonowy pocisk, kt�ry powoduje ogromne zniszczenia, je�li wymknie si� spod kontroli. Konstrukcja pojazdu jest niezwykle mocna i mo�e wytrzyma� dzia�anie ogromnych si�, ale cia�o ludzkie nie jest tak odporne. Trzeba wi�c znale�� sposoby na to, aby zredukowa� si�y dzia�aj�ce na nie podczas wypadku. Pasy bezpiecze�stwa s� tego prostym, a jednocze�nie skutecznym przyk�adem: przekonano si�, �e stosowanie ich zmniejsza mo�liwo�� odniesienia pewnych rodzaj�w obra�e� o 70%. Typowy samoch�d osobowy wa�y oko�o 2 t i mo�e porusza� si� z pr�dko�ci� 150 km/h. Oznacza to, �e podczas zderzenia ogromna ilo�� energii kinetycznej musi zosta� w spos�b bezpieczny rozproszona, je�li pasa�erowie maj� wypadek prze�y�. Systemy bezpiecze�stwa pojazdu dzia�aj� na dwa sposoby. Po pierwsze, sprawiaj�, i� najwi�ksz� cz�� si�y uderzeniowej poch�ania konstrukcja samochodu. Po drugie, bezpo�rednio przytrzymuj� i ochraniaj� cia�o pasa�era. Stalowa karoseria samochodu jest skonstruowana w ten spos�b, aby stopniowo ulega�a zgniataniu, gdy samoch�d zostanie uderzony z przodu lub z ty�u. Gdyby by�a ca�kowicie sztywna, w razie zderzenia samoch�d i jego pasa�erowie zatrzymywani byliby w�a�ciwie w jednej chwili. Zgniatanie pozwala na wolniejsze obni�anie pr�dko�ci, co zmniejsza si�y dzia�aj�ce na pasa�er�w. Zawieszenia silnika s� tak skonstruowane, aby w razie uderzenia zesp� silnikowy wpychany by� bezpiecznie pod kabin� pasa�ersk�. Bak paliwowy za� umieszczony jest w usztywnionym obszarze pomi�dzy ko�ami, gdzie zachodzi mniejsze prawdopodobie�stwo jego wybuchu. Zatrzyma� si� Hamulce samochodowe s� urz�dzeniami hydraulicznymi [A] Wci�ni�cie peda�u hamulca powoduje ruch pompy g��wnej. Ciecz hydrauliczna przenosi ten ruch na cylinderki w piastach kot Poniewa� pompa g��wna ma mniejsz� powierzchni� przekroju roboczego ni� cylinderki, si�a nacisku wywieranego przez stop� staje si� wi�ksza, zanim dotrze do k� Tylne ko�a zaopatrzone s� w hamulce b�bnowe Ci�nienie hydrauliczne w cylinderkach wypycha dwa t�oki na zewn�trz, dociskaj�c klocki hamulcowe do wewn�trznej powierzchni b�bna, kt�ry obraca si� razem z ko�em Tarcie spowalnia ruch obrotowy b�bna Tylne hamulce mo�na tak�e uruchomi� za po�rednictwem uk�adu przewod�w (kolor zielony) po��czonych z hamulcem r�cznym Masa samochodu jest wyrzucana do przodu w czasie zwalniania, wi�c silniejsze hamulce montuje si� dla k� przednich S� to zwykle hamulce tarczowe r�ni�ce si� w konstrukcji od tylnych hamulc�w b�bnowych Ci�nienie hydrauliczne Poduszki powietrzne Mimo i� pasy bezpiecze�stwa powinny by� zawsze zapi�te podczas jazdy, poduszki powietrzne (z prawej) daj� dodatkow� ochron� w razie uderzenia. Mikroprze��czniki reaguj� na gwa�towne hamowanie i powoduj� napompowanie poduszek w ci�gu jednej setnej sekundy. paf bezpiecze�stwa �� pompa g��wna �� peda� hamulca b�ben hamulca klocek hamulcowy wywierane na t�ok w zaciskach dociska dwa klocki hamulcowe o wysokim wsp�czynniku tarcia do bok�w metalowej tarczy, spowalniaj�c jej ruch obrotowy. W samochodach wyposa�onych w hamulce przeciwpo�lizgowe (ABS) czujniki na ka�dym kole wysy�aj� sygna�y (kolor czerwony) do skomputeryzowanego uk�adu regulacyjnego Uk�ad ten odpowiednio dobiera ci�nienie hydrauliczne wywierane na ka�dy Z hamulc�w (kolor niebieski) uk�ad kontrolny ABS klocki hamulcowe tlok wcisk �i uby mocuj�ce ko�o tarcza hamulcowa Samochody: bezpiecze�stwo 17 Wewn�trz kabiny pasa�erskiej wyst�puje wiele innych rozwi�za� podyktowanych wzgl�dami bezpiecze�stwa. Deski rozdzielcze i inne wystaj�ce powierzchnie pozbawione s� ostrych kant�w, kt�re mog�yby spowodowa� obra�enia. Pasy bezpiecze�stwa zapobiegaj � wyrzuceniu pasa�er�w przez przedni� szyb�, a zag��wki chroni� przed urazami czaszki. Jednak�e pas bezpiecze�stwa dzia�a skutecznie tylko wtedy, gdy ciasno przypina jad�cego do siedzenia. Gdy za�o�y si� pas, trudno jest zapewni� jad�cemu jego w�a�ciwe napr�enie i dopasowanie. Cz�� nowych samochod�w wyposa�ona zosta�a w na-pinacze pas�w, kt�re reguluj � napi�cie pasa zaraz po jego za�o�eniu, a napinaj� jeszcze mocniej w wypadku nag�ego hamowania, spowodowanego zderzeniem. Poduszki powietrzne, pompowane przez mechanizm reaguj�cy na wstrz�s zderzenia, powoli wypuszczaj� powietrze, gdy uderzy w nie cia�o cz�owieka, sprawiaj�c, i� jego hamowanie jest w�wczas stopniowe i mniej niebezpieczne. Zapobieganie wypadkom Samoch�d wyposa�ony jest tak�e w mechanizmy, kt�re s�u�� zapobieganiu wypadkom. Auto trzyma si� bezpiecznie drogi tylko wtedy, gdy opony maj� dobr� przyczepno�� przez ca�y czas jazdy. Gdy jezdnia jest oblodzona lub mokra, silne hamowanie mo�e zablokowa� ko�a, tak �e samoch�d zaczyna si� �lizga� i traci si� nad nim kontrol�. Do r�wnie niebezpiecznej sytuacji dochodzi wtedy, gdy zbyt du�e obroty zostan� przeniesione na ko�o - mo�e ono straci� przyczepno�� i zacz�� buksowa�. Uk�ady hamulc�w przeciwpo�lizgowych i uk�ad przeciwpo�lizgowy uruchamiany przy przyspieszaniu s�u�� temu, aby rejestrowa� i kontrolowa� zagro�enia, mog�ce doprowadzi� do utraty panowania nad samochodem. Zaplanowana s�abo�� Uderzenie w kolumn� kierownicy w czasie wypadku t�umione jest przez poduszk� powietrzn�, kt�ra wyskakuje ze �rodkowej cz�ci kierownicy w czasie 0,01 s po zderzeniu Jednocze�nie a�urowy fragment kierownicy umo�liwia jej bezpieczne z�amanie Panowanie nad pojazdem w ka�dych warunkach ABS [B] dzia�a tak, ze ci�nienie hydrauliczne w hamulcach dawkowane jest pu�sacyjnie lalka razy na sekund�. W ten spos�b hamulce szybko zwalniaj� si� i ponownie zaciskaj�, co zapobiega powstawaniu po�lizgu Uk�ad przeciwpo�lizgowy, uruchamiany przy przyspieszaniu, dzia�a w podobny spos�b, zapobiegaj�c niebezpiecznemu buksowaniu k� � na brak oh , [3] spalinowj wewn�trznego spalania 12 Samochody 14 18 Materia�y zaawansowane 194 Prawa przyrody 228 236 238 240 242 254 18 Samochody: nowe rozwi�zania Jak mog� wygl�da� pojazdy przysz�o�ci Stan Kalifornia da� pocz�tek pewnej �wiatowej tendencji przez ustanowienie przepis�w, wed�ug kt�rych do 1998 roku 2% wszystkich nowych samochod�w powinno by� pojazdami o zerowej emisji spalin - samochodami, kt�re nie przyczyniaj� si� w bezpo�redni spos�b do ogromnych zanieczyszcze� nowoczesnych miast. W 2003 roku liczba ta ma wzrosn�� do 10%. Te czyste pojazdy najprawdopodobniej b�d� nap�dzane energi� elektryczn�, wytwarzan� w r�nego rodzaju nowych ogniwach, wykonanych z wysoce reaktywnych metali. Drugim mo�liwym �r�d�em energii mog� by� niezwykle wydajne ogniwa paliwowe, powsta�e w wyniku realizacji ameryka�skiego programu kosmicznego. Obecnie wi�kszo�� pojazd�w nap�dzana jest przez jaki� rodzaj silnika spalinowego. Pomimo doskonalenia urz�dze�, takich jak katalizatory czy silniki przystosowane do pracy na mieszance ubogiej, s�u��cych do zmniejszenia emisji spalin, zanieczyszczenie powietrza spalinami z silnik�w konwencjonalnych jest wci�� rosn�cym problemem. Doskonalenie istniej�cych typ�w silnik�w, tak aby mog�y one sprosta� coraz ostrzejszym przepisom, b�dzie coraz trudniejsze. Z tego powodu wydaje si� prawdopodobne, i� pojazdy przysz�o�ci b�d� nap�dzane energi� elektryczn�. Elektryczne samochody osobowe i ci�ar�wki ju� je�d�� po drogach, ale ich mo�liwo�ci dzia�ania s� bardzo ograniczone przez zastosowanie w nich akumulator�w kwasowych - typowych akumulator�w samochodowych. Akumulatory te s� ci�kie i mog� zmagazynowa� tylko stosunkowo niewielkie ilo�ci energii, umo�liwiaj�c pojazdowi przejechanie oko�o 100 km pomi�dzy kolejnymi �adowaniami. Pojazd hybrydowy ma zdecydowanie wi�kszy zasi�g. Podczas jazdy w mie�cie nap�dzany jest silnikami elektrycznymi, pobieraj�cymi pr�d z normalnych akumulator�w. Jednak na trasie kierowca mo�e prze��czy� pojazd na silnik benzynowy o wysokiej sprawno�ci, kt�ry nap�dza pr�dnic�, aby ponownie na�adowa� akumulator, a tak�e nap�dza� silniki elektryczne. Same ogniwa b�d� konstrukcjami nowego typu. Ogniwa sodowo-siarkowe dor�wnuj� swoim dzia�aniem znacznie ci�szym akumulatorom kwasowym, ale dzia�aj� tylko w niebezpiecznej temperaturze oko�o 300�C. Inn� mo�liwo�ci� jest ogniwo aluminiowo-powietrzne. Ten rodzaj ogniwa zasadniczo nie nadaje si� do ponownego na�adowania, ale mo�na �wymieni� mu paliwo", po prostu wymieniaj�c jego aluminiow� anod�. Najszybciej pod s�o�cem Nap�dzany energi� s�oneczn� samoch�d Sunracer (z prawe}) triumfowa� w wy�cigu przez Australi� na trasie licz�cej 3000 Im Nap�dzany byt energi� elektryczn� wytwarzan� w ogniwach s�onecznych pokrywaj�cych jego aerodynamiczn� g�rn� powierzchni� Ten lekki pojazd przejecha� ca�� tras� wy�cigu z pr�dko�ciami powy�ej 80 km/h Bomba samochodowa Jedna z mo�liwych konstrukcji samochodu przysz�o�ci [A] wykorzystuje wodorowo-tlenowe ogniwo paliwowe, aby wytwarza� energi� elektryczn� konieczn� do zasilania jego silnik�w elektrycznych Ogniwo paliwowe jest niezwykle wydajnym sposobem uzyskiwania energii z paliwa (patrz ramka), kt�ry to spos�b pierwotnie zosta� wymy�lony na u�ytek wypraw za�ogowych w ameryka�skim programie kosmicznym Wod�r i tlen s� substancjami potencjalnie wybuchowymi, a wi�c jad�cy samoch�d musia�by prawdopodobnie uzyskiwa� wod�r z chemicznego rozk�adu metanolu, kt�ry jest znacznie bezpieczniejsz� substancj� je�li chodzi o przechowywanie go w samochodzie Potrzebny tlen by�by pobielany z powietrza zbiornik wodoru wi�zka czujnika odleg�o�ci � wi�zka promieniowania podczerwonego ' Ogniwa paliwowe Konstruktorzy samochod�w ca�y czas poszukuj� sposob�w zwi�kszenia sprawno�ci paliwa - procentu energii chemicznej w paliwie przekszta�conej w energi� kinetyczn� ruchu samochodu. Silnik wysokopr�ny ma sprawno�� oko�o 35%. Ogniwo aluminiowo-powietrzne, �adowane z domowego �r�d�a pr�du, ma sprawno�� nie wi�ksz� ni� 50%. Najwi�ksz� jednak sprawno�� - wy�sz� ni� 70% -daj� ogniwa paliwowe. Podobnie jak zwyk�e ogniwa, wykorzystuj� one reakcj� chemiczn�, aby bezpo�rednio wytwarza� energi� elektryczn�. Tak jak w silniku, sub-straty reakcji musz� by� stale dostarczane. Wi�kszo�� tego typu urz�dze� wykorzystuje reakcj� pomi�dzy wodorem i tlenem, kt�ra to reakcja w otwartej przestrzeni mo�e by� bardzo niebezpieczna. Jednak�e w ogniwie paliwowym proces ten zachodzi w spos�b zdecydowanie bardziej kontrolowany, jako proces pomi�dzy jonami rozpuszczonymi w ciek�ym elektrolicie. dop�yw tlenti Wytwarzanie wody Ogniwo paliwowe sk�ada si� z w�glowej anody i w�glowe/ katody, zanurzonych w elektrolicie Obie elektrody zawieraj� platyn�, kt�ra dzia�a jako katalizator, rozbijaj�c cz�steczki tlenu na atomy, gdy gaz przep�ywa obok katody Tu tlen podczas ��czenia si� z wod� wch�ania elektrony, tworz�c jony wodorotlenku W tym samym czasie wod�r oddaje elektrony przy anodzie, ��cz�c si� z wodorotlenkiem n procesie powstawania wody Pr�d, kt�ry przep�ywa pomi�dzy elektrodami, wykorzystywany jest do nap�dzania silnika Zobacz tak�e Silnik spalinowy wewn�trznego spalania 12 Samochody 14 16 Samoloty: uk�ady 28 Odnawialne �r�d�a energii: S�o�ce i wiatr 112 Prawa przyrody 234 238 246 254 Samochody: nowe rozwi�zania 19 OBe sterowanie *c"* <.<ie uk�ady w samochodzie przysz�o�ci r ]d elektroniczn� Komputery b�d� _i^ie energii, aby zapewni� maksy- \ierowame pojazdem, hamowanie g� by� kontrolowane za pomoc� ��czonego z silnikiem i uk�adem -t�ow odami przesy�aj�cymi dane zawieszenia, stale dopasowuj�ce do trasy za pomoc� sterowanych osnikow hydraulicznych, zapew- ezpieczne trzymanie si�jezdm _� nawet przej�� zadania wykonywa- ~zujmki na podczerwie� b�d� mog�y . ->=? pojazdu od pojazdu jad�cego czujnikom, komputer ka�dego po m sterowa� i, utrzymuj�c ��czno�� ^n\rm samochodami, tworzy� �po- -jizaj�ce si� z du�� pr�dko�ci� po �dach Dzi�ki mo�liwo�ci utrzymy-dleg�osci pomi�dzy samochodami drogowa mog�aby by� wykorzysta- pompa hydrauliczna cylinder hydrauliczny 1�aktywne zawieszenie Energia przy ka�dym obrocie Silniki dwusuwowe marnuj� du�o oleju t s� ha�a�liwe * Jednak�e ich wysoka sprawno�� paliwowa sprawia ze bada one atrakcyjnymi �r�d�ami energii w przysz�o�ci Ulepszony model [D] ma cykl kt�ry mo�e by� roz�o�ony na cztery etapy Powietrze jest wpompowywane do cylindra gdy t�ok si� unosi a przez wtryskiwacz dodawana jest dawka paliwa [1] Mieszanka paliwowo powietrzna jest dalej spr�ana [2] dop�ki t�ok nie osi�gnie g�rnej pozycji suwu wtedy iskra zapala mieszank� [3] Gor�ce gazy spalinowe poruszaj� t�ok w d� obracaj�c wa� korbowy a nast�pnie s� przedmuchiwane [4] wyrzucane z zaworu wydechowego przez powietrze wpompowywane przez wlot Nowe sposoby wytwarzania energii Samoch�d przysz�o�ci [A] mo�e wykorzystywa� nap�d hybrydowy uzyskuj�c energi� elektryczn� z pr�dnicy nap�dzanej silnikiem dwusuwowym o wysokiej sprawno�ci albo z zespo�u ogniw sodowo siarkowych Ka�de ogniwo zawiera koncentrycznie u�o�one warstwy sodu aluminium i siarki [C] Gdy atomy sodu [1] dyfunduj� w warstw� aluminium [4] oddaj� elektrony [2] kt�re wp�ywaj� do anody Atomy siarki [3] pobieraj� elektrony Z metalowej katody i ��cz� si� Z jonami sodu tworz�c siarczek sodowy Napi�cie pomi�dzy anod� a katod�, wytwarzaj�ce si� w tym procesie mo�e by� wykorzystane do nap�dzania niewielkich silnik�w w piastach obu przednich k� Samoch�d mo�e hamowa� poprzez hamowanie odzyskowe silniki dzia�aj�jako pr�dnice przekszta�caj�c energi� ruchu z powrotem w energi� elektryczn�, kt�ra jest magazynowana ponownie w akumulatorach [B] Jazda staje si� �agodniejsza dzi�ki aktywnemu zawieszeniu hydraulicznie kontrolowanemu przez komputer Po��czon� kontrol� nad hamowaniem przyspieszaniem i kierowaniem pojazdem sprawuje si� za pomoc� jedne go dr��ka Obok przednich �wiate� samoch�d ma �wiat�a na podczerwie� noktowizyjna kamera zbiera odbite promieniowanie podczerwone i wy�wietla obraz noktowizyjny na ekranie refleksyjnym z przodu kierowcy Druga wi�zka podczerwieni mierzy odleg�o�� do pojazdu jad�cego z przodu 20 Poci�gi Jak ekspresy przybli�aj� kontynenty Ka�dego dnia poci�gi Eurostar odje�d�aj� z Londynu, a ka�dy z nich przewozi 800 pasa�er�w do Pary�a lub Brukseli zaledwie w 3 godziny. Poci�gi te, je�d��ce po trzech oddzielnych sieciach po��cze� szynowych, nale�� do najszybszych i najnowocze�niejszych, jakie kiedykolwiek zbudowano. 12 silnik�w elektrycznych poci�gu Eurostar wytwarza ponad 12 000 kilowat�w mocy poci�gowej, koniecznej, aby ruszy� poci�g o d�ugo�ci 400 m i wa��cy 8161. Skomplikowane systemy kontroli i bezpiecze�stwa tego poci�gu sprawiaj�, �e jeden maszynista jest w stanie poprowadzi� go od miasta do miasta. Ekspresowe poci�gi pasa�erskie ostatniej generacji ci�gni�te s� przez nowoczesne lokomotywy elektryczne, kt�re czerpi� energi� elektryczn� z naziemnych linii wysokonapi�ciowych lub szyn znajduj�cych si� pod napi�ciem. Na tych obszarach, gdzie budowa linii wysokiego napi�cia jest trudna lub nieop�acalna, stosowane s� lokomotywy z silnikami dieslowsko-elektryczny-mi. Ich podstawowe �r�d�o energii to silnik wysokopr�ny, pod��czony do pr�dnicy. Wytwarzany w ten spos�b pr�d jest kierowany do silnik�w zamontowanych w w�zkach silnikowych. (Ko�a lokomotywy lub wagonu nie s� bezpo�rednio po��czone z jego nadwoziem, ale zosta�y zamontowane w oddzielnie resorowanych podwoziach, czyli w�zkach przegubowych. W�zki te izoluj� przedzia�y pasa�erskie od wibracji k� i tworz� przeguby umo�liwiaj�ce zakr�canie). linia zasilaj�ca ' transformator' silnik pr�du zmiennego kabina maszynisty Przekraczanie granic Eurostar to poci�g elektryczny, nast�pca je�d��cego z pr�dko�ci� 300 km/h francuskiego Traina Grand� Vitesse (TGV), kt�ry jest w u�ytkowaniu od 1981 roku. Specjalnie przygotowany poci�g TGV ustanowi� �wiatowy rekord pr�dko�ci poci�gu pasa�erskiego, wynosz�cy 515 km/h. Poci�g ten jest w stanie rozwija� takie pr�dko�ci dzi�ki swemu op�ywowemu kszta�towi i lekkiej, przegubowej konstrukcji. Normalne poci�gi maj� 2 w�zki w ka�dym wagonie, po jednym na ka�dym ko�cu. Zamiast tego w poci�gach TGV zamontowano jeden w�zek na ka�d� par� s�siaduj�cych wagon�w (wyj�wszy z tego wagony silnikowe), co likwiduje o po�ow� liczb� w�zk�w w jednym poci�gu. Pozwala to na zmniejszenie ci�aru ka�dego wagonu o prawie 5 t. Aby powsta� poci�g Eurostar, w nadwoziu i uk�adach zasilania standardowego poci�gu TGV trzeba by�o wprowadzi� istotne zmiany. Po pierwsze, poci�g TGV nale�a�o �wyszczupli�", chc�c dopasowa� go do ni�szej brytyjskiej skrajni taboru - maksymalnej dopuszczalnej wysoko�ci i szeroko�ci taboru. Po drugie, poci�g musia� zosta� wyposa�ony w dodatkowe urz�dzenia, zwi�kszaj�ce bezpiecze�stwo podr�y tunelem pod kana�em La Manche; najwa�niejszym z nich jest mo�liwo�� roz��czenia poci�gu po�rodku, tak aby w razie niebezpiecze�stwa dwie po�owy mog�y by� wyci�gni�te z tunelu z dw�ch stron. Po trzecie, zmodyfikowane s� uk�ady nap�dzania poci�gu. Niezale�nie od tego, i� wszystkie trasy, kt�rymi poci�g je�dzi, s� zelektryfikowane, rodzaj dostarczanej energii jest w r�nych krajach r�ny. We Francji i na trasie przez tunel pr�d zmienny o napi�ciu 25 kV przesy�a si� liniami naziemnymi. Pr�d ten jest pobierany poprzez sk�adany odbie-rak zwany pantografem. Belgia r�wnie� ma linie naziemne, ale przenosz� one pr�d sta�y o napi�ciu 3 kV. W Anglii stosuje si� pr�d sta�y o napi�ciu 750 kV, przesy�any za pomoc� trzeciej szyny. Aby m�c funkcjonowa� przy wszystkich tych rodzajach zasilania, poci�g Eurostar wyposa�ono w dwa pantografy oraz umieszczono obok k� zesp� odbierak�w �y�wowych, przeznaczonych do pobierania pr�du z trzeciej szyny. Zjednoczy� Europ� Energia elektryczna nap�dzaj�ca poci�g Eurostar [A] poddawana jest kilkakrotnym przekszta�ceniom, zanim w ko�cu dotrze do silnik�w. Przez wi�kszo�� czasu pantograf pobiera pr�d zmienny o napi�ciu 25 kV z naziemnej �a�cuchowej sieci jezdnej. Krzemowe diody i tyrystory wewn�trz przemiennika pr�du sta�ego zamieniaj� ten pr�d w pr�d stafy o napi�ciu 1800 V, kt�ry jest przekazywany do 3 blok�w silnikowych f po jednym w ka�dym w�zku silnikowym -2 w�zki w ka�dej lokomot\wie i l w pierwszym wagonie). Bloki silnikowe to skrzynki pelne elektronicznych urz�dze� energetycznych, kt�re ponownie przekszta�caj� pr�d sta�y na pr�d zmienny, ale o cz�stotliwo�ci odpowiadaj�cej pr�dko�ci obrot�w silnik�w. Energia na wyj�ciu zmieniana Poci�gi Eurostar s� odwracalne - ka�da z dw�ch lokomotyw na obu ko�cach poci�gu mo�e ci�gn�� poci�g sk�adaj�cy si� z 18 wagon�w. Wszystkie uk�ady ��cznie z klimatyzacj�, drzwiami (uruchamianymi mechanicznie) i hamulcami w ka�dym wagonie s� kontrolowane centralnie za po�rednictwem optycznej magistrali danych - cyfrowej szyny danych biegn�cej przez ca�y poci�g. Zatrzyma� si� Od tego, jak poci�g jest nap�dzany, jeszcze wa�niejsze okazuje si�, jak jest zatrzymywany. Poci�g Eurostar ma dwa uzupe�niaj�ce si� uk�ady hamulc�w. Uk�ad hamulc�w oporowych wykorzystuje silniki poci�gu jako pr�dnice, kt�re zamieniaj� energi� kinetyczn� poruszaj�cego si� poci�gu w pr�d elektryczny. Pr�d ten nast�pnie przep�ywa przez du�e oporniki, czyli reostaty, gdzie zamieniany jest na energi� ciepln�. Przy ni�szych pr�dko�ciach hamulce oporowe wspomagane s� silnymi hamulcami tarczowymi, sk�adaj�cymi si� z 4 tarcz na ka�dym wale osiowym. Komputery znajduj�ce si� w ka�dym wagonie automatycznie ��cz� obydwa rodzaje si�y hamuj�cej. odbieraki fyzwowe jest poprzez zmienianie napi�cia pr�du dostarczane^ do ka�dego silnika. Drugi pantograf potrzebny jest do odbierania belgijskiego pr�c sta�ego o napi�ciu 3 kV, kt�i to pr�d jest przesy�any bezpo�rednio do blok�w silnikowych, tak jak dzieje si to r�wnie� w wypadku pr�di sta�ego o napi�ciu 750 kV, odbieranego za pomoc� odbierak�w �y�wowych z trzeciej szyny w Anglii. Elektrownia na kolkach Lokomotyw� o nap�dzie dieslowsko-elektrycznym, taki jak stosowana przez brytyjski Inter-City 125 [B], stosuje si$ tam, gdzie zelektryfikowanie i kolejowej nie jest �atwe. W ta lokomotywie 12-cylindrowy s wysokopr�ny z turbodolado\ niem spala olej nap�dowy i r p�dza pr�dnic� pr�du zmieni o du�ej wydajno�ci. W odr� niu od poci�gu Eurostar, po� Inter-City 125 ma silniki pr�t sta�ego, musi wi�c mie� pros townik przekszta�caj�cy pr�a zmienny w pr�d stary. Silniki i ��cz�ce je z ko�ami skrzynie bieg�w zamontowane s� w w kach lokomotywy. Uk�ad diet lowsko-elektryczny umo�liwit prac� silnik�w z ich najwyda n