"Физика", Громов С.В., Родина Н.А., Белага В.В. и др./Под ред. Ю.А. Панебратцева
Паровоз и автомобиль стали первыми механическими транспортными средствами, способными перевозить людей и грузы без непосредственной мышечной силы человека или животных. Их появление стало возможным благодаря тепловым двигателям, превращающим энергию топлива в механическую работу. В паровозе движение создаёт паровая машина, а в автомобиле — двигатель внутреннего сгорания. Развитие этих устройств изменило транспорт, ускорило перевозки и подготовило появление современной техники.
Текст подготовлен нейронной сетью по теме параграфа и не заменяет учебник — важные факты и формулировки сверяйте с ним.
Паровая машина — тепловой двигатель, в котором энергия пара превращается в механическую работу поршня. Пар образуется при нагревании воды и действует на поршень давлением. Это понятие нужно, чтобы отличать сам двигатель от машины или транспорта, который он приводит в движение.
Паровоз — рельсовое транспортное средство с паровой машиной, передающей движение колёсам. Он включает не только двигатель, но и котёл, раму, колёса и устройства для сцепления вагонов. Термин помогает понять, почему паровая машина стала основой железнодорожного транспорта.
Автомобиль — самоходное безрельсовое транспортное средство, приводимое в движение двигателем. Он может перемещаться по дороге самостоятельно, без лошади и без железнодорожного пути. Это определение подчёркивает главное отличие автомобиля от поезда.
Двигатель внутреннего сгорания — двигатель, в котором топливо сгорает внутри рабочего цилиндра, а расширяющиеся газы перемещают поршень. Движение поршня затем передаётся через шатун и коленчатый вал колёсам. Такой двигатель сделал автомобиль компактнее и удобнее паровой машины.
Развитие паровых машин стало основой для первых механических транспортных средств, потому что они могли непрерывно выполнять работу за счёт энергии топлива. Человек или животное ограничены собственной силой и быстро устают, а двигатель способен работать длительное время. Когда научились уменьшать размеры машин и передавать их движение колёсам, появилась возможность создать самоходный транспорт.
В паровой машине топливо сгорает в топке и нагревает воду в котле. Образовавшийся пар поступает в цилиндр и давит на поршень, заставляя его двигаться взад и вперёд. Кривошипный механизм преобразует это движение во вращение, которое передаётся ведущим колёсам.
Паровоз оказался связан с развитием железных дорог, потому что тяжёлый двигатель и состав было трудно перемещать по обычной поверхности. Рельсы образуют ровную и прочную дорожку, а металлические колёса катятся по ним с небольшим сопротивлением. Поэтому паровоз мог тянуть много вагонов, расходуя меньше энергии, чем при движении по грунту.
Первые автомобили уступали конным экипажам по удобству, хотя не требовали лошади. Они были тяжёлыми, медленными, часто ломались и нуждались в постоянном обслуживании, а дороги оставались неровными. Практичность повысили более надёжные двигатели, удобное рулевое управление, тормоза, подвеска и улучшенная передача движения.
Переход к двигателю внутреннего сгорания изменил устройство автомобиля. Топливо стало сгорать прямо в цилиндре, поэтому не понадобились отдельные топка, котёл и большой запас воды. Двигатель стал легче и компактнее, автомобиль получил большую скорость, запас хода и возможность быстро запускаться.
| Характеристика | Паровоз | Автомобиль |
|---|---|---|
| Источник энергии | Сгорание топлива и нагревание воды | Сгорание топлива в двигателе внутреннего сгорания |
| Рабочее тело | Водяной пар | Расширяющиеся продукты сгорания |
| Способ движения | По рельсам | По дороге |
| Основные части силовой установки | Топка, котёл, цилиндр, поршень, кривошипный механизм | Цилиндр, поршень, шатун, коленчатый вал |
| Главное преимущество | Перевозка больших грузов и составов | Самостоятельное передвижение без рельсов |
| Основное ограничение | Необходимость воды, топлива и железнодорожного пути | Ограниченная грузоподъёмность и зависимость от состояния дороги |
Таблицу удобно читать построчно: каждая строка сравнивает одну характеристику двух видов транспорта. По столбцам можно проследить, как источник энергии связан с устройством и способом движения. При сравнении нужно учитывать не только преимущества, но и ограничения каждой машины.
Задача 1. Расположите превращения энергии в правильной последовательности: движение поршня, сгорание топлива, образование пара, вращение колёс. Нужно проследить путь энергии от топлива до движения транспортного средства. Каждое следующее действие должно быть результатом предыдущего.
Ответ: сгорание топлива → образование пара → движение поршня → вращение колёс.
Задача 2. Паровоз прошёл 18 км за 30 мин, а автомобиль — 24 км за 20 мин. Сравните их средние скорости. В формуле v = s/t время должно быть выражено в часах, потому что расстояние дано в километрах.
Ответ: средняя скорость паровоза равна 36 км/ч, автомобиля — 72 км/ч; автомобиль двигался вдвое быстрее.
Задача 3. Двигатель автомобиля развивает силу тяги 2 кН и перемещает автомобиль на 500 м. Сила постоянна и направлена вдоль движения, поэтому применяем формулу работы A = Fs. Сначала нужно перевести килоньютоны в ньютоны.
Ответ: двигатель совершил работу 1 000 000 Дж, или 1 МДж.
Считать паровую машину и паровоз одним и тем же — ошибка. Паровая машина является двигателем, а паровоз — транспортным средством, в котором двигатель используется. Проверка простая: спросите себя, может ли названный объект быть только источником движения или он перевозит груз.
Нельзя путать двигатель внутреннего сгорания с паровой машиной. В первом случае топливо горит внутри цилиндра, а во втором пар поступает в рабочий цилиндр извне. Чтобы проверить ответ, найдите место сгорания топлива.
Автомобиль не появился сразу после изобретения колеса. Для него понадобились двигатель, передача движения, управление и торможение, поэтому одного колеса недостаточно. Проверьте, перечислены ли в объяснении все эти устройства.
Неправильно сравнивать скорость паровоза и автомобиля без указания условий движения. На результат влияют дорога, масса груза, мощность двигателя и сопротивление движению. При решении задачи сначала выпишите расстояние и время каждого тела.
Для понимания темы нужны знания о превращениях энергии, работе и мощности, давлении газа и принципе действия теплового двигателя. Эти сведения позволяют объяснить, почему пар давит на поршень и как сила совершает работу.
Тема подготавливает изучение закона сохранения энергии, коэффициента полезного действия тепловых машин и механики движения. Позже эти понятия помогут оценивать потери энергии и эффективность двигателей.
История автомобиля и паровоза показывает, как физические законы превращаются в технические устройства. Такие примеры помогают разобраться в устройстве современных поездов, автомобилей и других транспортных машин.
Почему паровоз не может двигаться без воды и топлива?
Топливо нагревает воду в котле, а вода превращается в пар. Без топлива пар не образуется, а без воды невозможно получить рабочее тело, которое давит на поршень.
Чем паровая машина отличается от двигателя внутреннего сгорания?
В паровой машине топливо сгорает в топке, а пар поступает в цилиндр извне. В двигателе внутреннего сгорания топливо сгорает непосредственно внутри рабочего цилиндра, и расширяющиеся газы толкают поршень.
Почему первые автомобили развивали небольшую скорость?
Их двигатели были маломощными, тяжёлыми и работали менее надёжно, чем современные. Кроме того, дороги имели плохое покрытие, а конструкция автомобилей ещё не обеспечивала эффективное управление и торможение.
Зачем паровозу нужны рельсы?
Рельсы образуют ровный путь и уменьшают сопротивление качению тяжёлых колёс. Благодаря этому паровоз может тянуть большой состав с меньшими затратами энергии, чем при движении по обычной дороге.
Как энергия топлива превращается в движение автомобиля или паровоза?
В паровозе топливо нагревает воду, пар давит на поршень, а механизм передаёт его движение колёсам. В автомобиле топливо сгорает в цилиндре, газы перемещают поршень, и через шатун и коленчатый вал вращение передаётся колёсам.
§ 45. Изобретение автомобиля и паровоза
