Краткая историческая справка. еотъемлемой частью многочисленных машин стало то самое колесо, которое принято считать одним из выдающихся изобретений человечества

Н

 

еотъемлемой частью многочисленных машин стало то самое колесо, которое принято считать одним из выдающихся изобретений человечества.

Идею создать колесо подала человеку сама природа. Наблюдая за тем, как ветер гонит травяной шар "перекати поле", как бобры, свалив дерево, катят его к месту "стройки", люди стали подкладывать под полозья круглые бревна. Позже в полозьях стали делать полукруглые вырезы и вставлять в них катки. Катки оказались ближайшими предшественниками сплошного колеса на оси. Возок на таких катках катился почти как на колесах.

Благодаря колесу исчезло трение скольжения и вместо него появилось трение качения, преодолевать которое человеку стало во много раз легче. С появлением телег на колесах начали строить дороги. Древние греки строили дороги, состоящие почти на всей своей протяженности из колеи, высеченной в камне. Так возникли первые колейные дороги.

 

 

В XVI веке на рудниках появились первые рельсы – гладкие деревянные брусья (рисунки 2.1–2.3), уложенные на лежни, зарытые в землю. Они и стали прообразом современных железных дорог. Телега по таким рельсам катилась легче, чем по земле, и лошадь могла везти значительно больший груз. Но деревянные рельсы были недолговечны, их

Рисунок 2.1 – Рудничная дорога

поверхность очень скоро становилась неров-

ной.

Рисунок 2.2 – Деревянная грузовая тележка, использовавшаяся на венгерских шахтах в XVI—XVII веках для перевоз- ки руды

Люди искали замену для дерева и нашли ее: на смену дереву пришел металл.

 

 

Рисунок 2.3 – Иллюстрация из книги "Космография", изданной в Германии в 1550 году

Для предохранения поверхности брусьев от износа их покрывали железными полосами или уголками и таким образом пришли к мысли об использовании металлических рельсов. В 1764 году гениальный русский гидротехник Козьма Дмитриевич Фролов построил на Алтае на берегах двух рек Змеевки и Корбалихи, где раскинулся Змеиногорский рудник, первое в мире полностью механизированное предприятие по добыче и обработке руды. На этом предприятии вагонетки, груженные рудой, перемещались по первым в мире металлическим рельсам. На этом же

 

руднике Фролов сделал первую попытку использовать для передвижения вагонеток механическую силу. Они двигались с помощью вращаемых водой колес, лебедок и канатов.

Рельсовый путь Фролова намного опередил подобные изобретения за пределами России, в частности и "первый рельсовый путь" англичан, который появился на металлургических заводах Дерби в графстве Йоркшир лишь спустя четыре года.

Успех Фролова не был единичным. В 1788 году на Александровском чугунолитейном заводе в Петрозаводске под руководством А. С. Ярцева была построена чугунная дорога длиной 174 м из отдельных звеньев рельсов, отлитых вместе с металлическими шпалами. На этой дороге впервые был применен цельнолитой стрелочный перевод. Рельсы этого пути были уголковые. Можно предполагать, что подобные "чугунки", так называли в то время первые рельсовые пути, существовали в те годы и на других металлургических заводах.

По ровной поверхности чугунных рельсов повозки катились еще лучше, и теперь уже одна лошадь могла везти несколько телег. Так, задолго до изобретения паровоза появился первый железнодорожный поезд.

Развитие рельсового транспорта в России продолжалось. В 1806 году сын Фролова Петр Фролов, которого по праву называют пионером рельсового транспорта, идя по стопам отца, предложил проект постройки чугунных дорог. По его замыслу чугунные дороги должны были дополнить естественные водные пути и каналы. Проект не нашел поддержки, его автор смог лишь добиться разрешения на постройку опытной дороги протяженностью 1867 метров. И в 1810 году первая в России рельсовая дорога с конной тягой вошла в строй. Она отличалась от приспособленных к рельефу местности английских дорог тем, что была строго горизонтальной благодаря постройке моста, виадука и выемки. Чугунные рельсы, уложенные на дороге, имели выпуклую поверхность катания, а колеса вагонеток – желобовидную. Рельсы опирались на продольные деревянные брусья, а последние – на деревянные шпалы.

Состав из трех вагонеток тянула одна лошадь, перевозя за день до 65 тонн руды. Путь в оба конца занимал полтора часа. Фролов применил также поворотный круг для перемещения состава на боковые ветки. Транспортировка такого количества руды по грунтовой дороге потребовала бы 25 лошадей. Начальство с удовлетворением отметило, что на Змеиногорской дороге " Выгода к перевозке руд против обыкновенной перевозки столь очевидна, что делает честь основателю оной ". Дорога превосходила все подобные сооружения, имевшиеся в то время за рубежом. Лишь спустя 17 лет подобная дорога была построена в Америке. Тем не менее, фроловские проекты больших рельсовых дорог так и не были осуществлены.

Рельсовые пути на Змеиногорском руднике и Александровском заводе, конная "чугунка" Петра Фролова были первыми прообразами железных дорог наших дней.

В то время промышленность бурно развивалась: строились фабрики, открывались новые рудники и шахты, крепло сталелитейное производство. Развивающейся промышленности уже не хватало энергии, которую давали сила падающей воды, ветер и мускулы лошади. Жизнь настоятельно требовала создания новых, более сильных двигателей, не зависящих от стихии.

Такой двигатель дал людям наш соотечественник, горный мастер Иван Ползунов, который родился в Екатеринбурге в 1728 году. После окончания заводской школы, он работал "механическим учеником".

В 1745 году семнадцатилетний Ползунов попадает на Алтай, на Колываново-Воскресенские заводы. Здесь в центре алтайской горнорудной промышленности он остро почувствовал требования производства, запросы которого вода как источник энергии уже не могла удовлетворять. И Ползунов решил "пресечь водяное руководство". Чтобы осуществить свой замысел, он задумал построить "огненную машину", которая была бы "способной по воле нашей, что будет потребно справлять".

К 1763 году Ползунов разработал проект паровой машины. Ему понадобилось три года на то, чтобы с двумя юношами-учениками построить огромную, высотой с трехэтажный дом, машину. В 1766 году она была готова.

Подробные рабочие чертежи, сохранившиеся до наших дней, рассказывают нам об устройстве и работе первой в мире паровой машины. Для получения пара вода подогревалась в склепанном из медных листов котле. Через специальные распределительные устройства пар поступал в два трехметровых цилиндра, поршни которых были соединены с коромыслами. Эти коромысла приводили в движение меха, нагнетавшие воздух в рудоплавильные печи, а также водяные насосы, питавшие водой котел.

Так на Алтае построили машину, которой было суждено стать неотъемлемой частью железных дорог.

Прошло почти полвека, прежде чем человек поставил паровую машину на колеса и заставил ее перемещать грузы. Первые прототипы будущего паровоза появляются в начале ХIX века. В то время еще плохо были изучены законы сцепления колес с рельсами, и люди думали, что колеса самодвижущейся повозки будут скользить по гладкой поверхности рельса, вращаясь на одном и том же месте. Поэтому человек стал работать над созданием таких приспособлений, которые могли бы помочь повозке передвигаться по гладким рельсам.

Первый паровоз для железной дороги создал англичанин Ричард Тревитик в 1803 году (рисунок 2.4). Он имел зубчатую передачу на ведущие колеса, они при вращении зацеплялись за зубья рейки, уложенной вдоль пути. Но зубья оказались плохими помощниками – часто ломались, и поэтому от них пришлось отказаться. Было много других моделей, но все они оставались маломощными, ненадежными, расходовали много пара. Однако это

были важные ступени на пути замены живой силы механической.

Рисунок 2.4 – Паровоз Р. Тревитика

В 1804 году Тревитик построил первую зубчатую железную дорогу. Тогда все были убеждены, что для движения паровоза одного трения гладких колес о рельсы недостаточно. Чтобы придать большую надежность своей паровой машине, изобретатель для повышения сцепления колес с деревянными направляющими (прототип будущих рельсов) набил на ободы ко-

лес гвозди. Другой англичанин Бленкинсон в 1811 году построил зубчатую дорогу близ г. Лидса. Но как раз в это время инженеры убедились, что силы сцепления гладких колес вполне достаточно, чтобы обеспечить тягу поезда. Возникнув как технический курьез, зубчатая дорога все же пригодилась. В горной местности для преодоления значительных подъемов паровоз снабжался зубчатым колесом, а между рельсами укладывалась рейка, за зубья которой цеплялось колесо. Такая дорога была проложена в 1869 году на высоте 1900 метров близ местечка Монт-Вашингтон в США. По дороге курсировал один вагончик, перевозивший небольшие грузы и пассажиров.

Зубчатая дорога длиной 6858 м была построена в 1871 году в Альпах швейцарским инженером Риггенбахом. Поезд поднимался на высоту 1600 метров, доставляя туристов в горы.

Вслед за паровозом с зубчатыми колесами появляется паровоз с ногами, похожий на гигантского кузнечика. Вот что рассказывают об этом паровозе историки.

В один из июльских дней 1813 года жители небольшого английского городка неподалеку от Лондона были созваны на заводской двор. В глубине двора виднелись широкие ворота сборочной мастерской. Когда ворота распахнулись, собравшиеся увидели три вагонетки, груженные углем, сзади которых стоял котел на колесах. Из котла торчала широкая труба. К днищу котла было пристроено нечто такое, чего еще никто никогда не видел, – две механические ноги, длинные, как у жирафа.

Раздался свисток. Машина громко запыхтела, гуще повалил дым из трубы, и странный механизм сзади котла зашевелился. Одна из ног переступила по направлению к выходу, уперлась в полотно рельсового пути и как бы напряглась, отталкиваясь от него. В тот же момент колеса пыхтящего котла начали медленно катиться по рельсам, и поезд из трех вагонеток тронулся с места. Не успели котел и вагонетки остановиться, как тут же поднялась вторая нога, сделала еще шаг, уперлась в полотно и толкнула котел с вагонетками дальше.

Но не суждено было этому необычному шагающему паровозу благополучно закончить свой путь. Спустя несколько минут, когда поезд уже преодолел два десятка метров, раздался взрыв – лопнул котел. За свои ноги этот паровоз получил название "шагающей машины".

Пока строили новую "шагающую машину" с более прочным котлом, было сделано очень важное открытие. Ученые на основании опытов пришли к выводу, что ни зубчатые колеса с рейками, ни ноги паровозу не нужны.

Почему же паровоз смог передвигаться по гладкой поверхности рельсов? Чтобы ответить на этот вопрос, давайте посмотрим на рельс и колесо через сильный микроскоп. Мы увидим, что поверхности и рельса и колеса пилообразны. Благодаря этому они и цепляются друг за друга. Под действием силы тяжести неровности вращающихся колес паровоза упираются в неровности рельсов, стремясь оттолкнуть их назад. Так как рельсы прочно закреплены, то сдвигаются не они, а колеса паровоза. Но вернемся к паровозу.

Идея построить паровоз заинтересовала англичанина Блаккета. Однако все его попытки применить паровую тягу на шахтах оказались неудачными.

На копях в те времена работал Джордж Стефенсон. Любопытный, отзывчивый на всякое техническое новшество, он присутствовал при испытании паровозов, изучал их устройство. В неуклюжих и тяжелых машинах, передвигающихся с небольшими скоростями, его опытный и проницательный глаз практика увидел скрытую силу. Изо дня в день крепла у Стефенсона уверенность в том, что он смог бы сделать такую машину, которая будет безотказно работать вместо лошади.

Весной 1813 года один из владельцев Клингвортских копей лорд Лавенсворт получил письмо, в котором машинный мастер Стефенсон предлагал заменить лошадей "ходячими машинами". Автор письма сам брался построить их и просил лишь средств на покрытие расходов. Стефенсон получил согласие, а вместе с ним и необходимые деньги.

Спустя год, в 1814 году, паровоз был построен. Он имел четыре колеса диаметром 90 сантиметров и котел длиной 2,4 метра. Машина состояла из двух цилиндров. Движение поршней передавалось колесам при помощи зубчатой передачи. Это был первый паровоз Стефенсона, в конструкции которого он учел все просчеты своих предшественников. Его огромная заслуга состоит еще и в том, что он очень скоро понял, что совершенствовать надо не только локомотив, но и путь, и рельсы, и все остальные составные части дороги. 25 июля 1815 года паровоз испытали. По словам очевидца, он мог "тащить, помимо собственной тяжести, восемь груженых повозок, общим весом около тридцати тонн со скоростью четыре мили в час" (английская миля – 1609 м). В том же году Стефенсон создает второй паровоз, а в 1816 году – третий. Он строит не только паровозы, но и дороги. 18 ноября 1822 года при огромном стечении зрителей была открыта Геттонская железная дорога длиной 12,8 километра, построенная по его проекту.

Непреклонно веря в будущее железных дорог, Стефенсон добился сооружения первого в мире паровозостроительного завода. На этом заводе были построены три паровоза для первой в мире железной дороги общественного пользования. Она проходила между двумя английскими городами Стоктоном и Дарлингтоном. В день открытия жители близлежащих селений и городов с раннего утра огромными толпами направлялись к дороге. Там они увидели 33 вагона. Впереди вагонов стоял паровоз. По условному сигналу он тронулся в путь, увлекая за собой огромный состав. Вот как описал это событие один из помощников Стефенсона: " Сцена, имевшая место утром 27 сентября 1825 года, не поддается никакому описанию. Многие принимавшие участие в этом историческом событии всю ночь не смыкали глаз и были на ногах. Всеобщая бодрость и веселость, счастливые лица одних, изумление и испуг других разнообразили эту картину.

В назначенный час процессия тронулась. В голове поезда следовал паровоз " Движение", управляемый его создателем – Стефенсоном; за паровозом следовали шесть вагонов с углем и мукой; вслед за ними – вагон, где помещались со своими экипажами директора и владельцы дороги; затем два

дцать угольных вагонов, приспособленных для пассажиров и переполненных ими, и, наконец, шесть вагонов, нагруженных углем. Впереди паровоза следовал верховой с флагом.

По обеим сторонам дороги стояла огромная толпа народа, многие бежали за поездом; другие верхом на лошадях следовали за ним по сторонам пути. Путь имел небольшой уклон к Дарлингтону и в этом месте Стефенсон решил испытать скорость хода до пятнадцати миль (двадцать четыре километра) в час. Когда поезд прибыл в Дарлингтон, оказалось, что в вагонах было 450 пассажиров, а вес поезда составлял 90 тонн ".

Газета «Тайме», описывая это необычайно любопытное зрелище, с восторгом сообщала, что " всадники на лошадях пытались следовать за вагонами, но вскоре вынуждены были отстать ".

Регулярная эксплуатация дороги началась на следующий же день.

В наши дни изобретателем паровоза справедливо считают Стефенсона. Но сам Стефенсон в свое время был несколько другого мнения. " Паровоз, –

сказал он, – изобретение не одного человека, а целого поколения инженеров-механиков ". И он был прав. Усилиями многих талантливых изобретателей поставленная на колеса паровая машина приобрела дошедшие до наших дней формы паровоза, а примитивные рельсовые дороги копий и заводов превратились в пути сообщения массового пользования.

 

Рисунок 2.5 – Паровоз Стефенсона "Ракета"

Модель Стефенсона под названием " Ракета " (рисунок 2.5), победившая на состязаниях паровозов в 1829 году (Англия), оказалась действии ельно гениальным творением человека. На нем была экономичная паровая машина. Усилие от поршня передавалось через шатун и кривошип непосредственно на ведущее колесо (без зубчатой передачи).

 

Вслед за Англией небольшие участки железных дорог были построены во Франции (1832 год), в Бельгии (1835 год), в Германии (1835 год) и др.К 1830 году относятся и первые попытки использовать паровую машину на транспорте русскими механиками Ефимом Алексеевичем Черепановым и его сыновьями Мироном и Аммосом. Мирон в 1833 году побывал в Англии и видел паровоз. Но чертежи, выполнение которых было поручено Аммосу, по-видимому, уже были готовы. Это подтверждает тот факт, что "пароходный дилижанец" был очень быстро построен, о чем извещает хозяина управляющий рудника Д. Белов: "...имеем честь уведомить: сего дня (то есть 29 июня 1834 года – 11 июля по новому стилю) пущена "пароходка" в действие, устраиваемая Мироном Черепановым..." (рисунок 2.6).

Из письма впервые стала известна и масса паровоза – 150 пудов (2,4 тонны), что в 2 с лишним раза меньше английского. В следующем году Черепановы построили второй паровоз, а позднее – еще 11 машин.

Рисунок 2.6 – Паровоз Черепановых

Однако опыт русских механиков не был учтен и поддержан путейским ведомством. И когда встал вопрос о подвижном составе для Царскосельской железной дороги, а это был уже 1837 год,

первые паровозы было решено купить за границей.

Рисунок 2.3 – Паровоз Стефенсона "Ракета"

Черепановы же построили в 1834 году на Урале первую в России железную дорогу с паровой тягой (Нижнетагильский завод) протяженностью примерно 1 км. Дорога имела колею шириной 1645 мм.

Первая в России железная дорога общего пользования протяженностью 27 км между Петербургом и Царским Селом (г. Пушкин) была официально открыта 30 октября 1837 года. Эта дорога не имела экономического значения и была предназначена для поездок знати в места увеселений в Царском Селе, а затем в Павловске. Желто-голубые поезда, состоящие из вагонов-карет, первое время приводились в движение лошадьми. Паровозы, приобретенные за границей, появились несколько позже и носили громкие названия «Богатырь», «Слон», «Лев», «Проворный», «Орел», «Сокол», «Россия». В это же время появились и первые, изготовленные из латуни железнодорожные билеты,

	Рисунок 2.7 – Лубок, выпущенный в Мстёре

 

которые народ прозвал «жестянками». В 1862 году в Мстёре был выпущен лубок (рисунок 2.7) с забавным текстом о железной дороге.

Рассказ сбитеньщика про железную дорогу: "Здравствуйте, ребятушки, сизые голубятушки! Не пешком пришел, а по железной прискакал, холоду не видал и нужды не слыша. Вчера по Нижнему со сбитнем ходил, а наутро в Белокаменную прикатил. Чудная лошадка, и дорога по ней гладка.

Эх, железная дорога, небывалая краса! Просто диво, чудеса! В два пути железных шины, а по ним летят машины, не на тройках, на парах, посмотреть так даже страх. Деньги отдал лишь на месте, сел, вздремнул и верст за двести очутишься ты как раз

через полчаса иль час.

Ну, уж, дивная лошадка, богатырская ухватка! Тащит тысяч сто пудов, будто как. вязанку дров. Конь стоит и все пыхтит, фыркнет искрами и паром, закипит вдруг самоваром, плавно мчится, не трясется, быстрей облака несется, скородвижно, самокатно, и полезно, и приятно.

Но вот дивная загадка?! От чего сильна лошадка? От того так здорова – не овес ест, а дрова. А воды-то пьет помногу, но зато во всю дорогу никогда уж не слыхать, чтобы стала отдыхать. Не успеешь мигнуть глазом, в Белокаменной уж разом.

Я ль не Антон прожженная сковорода, да и то не беда. Наши в поле не робеют и на печке не дрожат. Истинно – ученье свет, а неученье тьма. И мир божий хоть не одно селенье, но ум людской – мирское именье. Один выдумал ковать, другой пахать. Один азбуке научил, а другой самовар в ход пустил. Не оказия случилась – как Москва-то просветилась. Не раскачало, не растрясло – будто вихрем принесло. Вот вам и Сивка-бурка вещая Каурка. Бежит – земля дрожит, дым столбом валит и огнем палит. Эти шутки! Из Нижнего в полсутки! Чудо-чудное, диво-дивное! До чего народ доходит – самовар в упряжке ходит!"

В 1843 году было начато строительство магистрали Петербург – Москва и через 8 лет, в 1851 году, закончено. Это была самая длинная в мире двухпутная железная дорога протяженностью 650 км (ширина колеи составляла 1524 мм – 5 футов) со сложнейшими по конструкции мостами, путем, станциями, вокзалами, депо, спроектированными русскими инженерами. Эта магистраль явилась крупнейшим инженерно-техническим сооружением России середины ХIХ века.

С открытием 1 ноября 1851 года Петербургско-Московской железной дороги многие убедились в преимуществах нового вида транспорта, и строительство в России стало интенсивно развиваться. Особая роль в проектировании и сооружении дороги принадлежит инженеру, впоследствии академику П. П. Мельникову – автору первой в России книги о железных дорогах. Мосты на магистрали проектировались под руководством инженера, затем крупного ученого Д. И. Журавского.

Позже были построены дороги Москва–Курск (1868 г.), Курск–Киев (1870 г.), Москва–Брест (1871 г). В 1996 году отмечалось 125 лет Белорусской железной дороге. В 1891 г. началось строительство Великого Сибирского пути длиной 6503 км с двух сторон: от Челябинска и Владивостока. В период с 1865 по 1875 годы средний годовой прирост железных дорог России составлял 1,5 тыс. км, а с 1893 по 1897 годы – по 2,5 тыс. км.

В конце 70-х – начале 80-х годов XIX века появились первые сортировочные станции (Петербург-Сортировочный в 1879 г.). Первая сортировочная горка была построена в 1899 году на станции Ртищево.

Серийный выпуск паровозов (рисунок 2.8) был начат в 1844 г. в Петербурге на Александровском заводе.

Рисунок 2.8 – Образцы первых паровозов, построенных в России

В 1913 году эксплуатационная длина сети железных дорог России составляла 71,7 тыс. км, а в 1988 году эксплуатационная длина железных дорог СССР была 147,4 тыс. км (53 тыс. км из них были электрифицированы), что составляло 12 % протяженности всех железных дорог мира.

Железнодорожный транспорт СССР выполнял 53 % ми-

рового грузооборота и 25 % пассажирооборота. Железные дороги СССР перевозили за сутки 11 млн т грузов и около 12 млн пассажиров. Грузонапряженность железнодорожных линий в 1989 году достигала 29 млн приведенных т×км на 1 км эксплуатационной длины. Распределение объема перевозочной работы, выполненной видами транспорта в Республике Беларусь, приведено в таблице 2.1, а сравнение протяженности железных дорог мира – в таблице 2.2.

Т а б л и ц а 2.1 – Распределение объема перевозочной работы между видами