История локомотива

⠀⠀ ⠀⠀ ⠀⠀ ^{Глава одиннадцатая} Вернер Сименс ⠀⠀ ⠀⠀ ⠀⠀

⠀⠀ ⠀⠀ ⠀⠀

В те дни, когда человечество, не зная и не желая ничего лучшего, покрывало земной шар первыми железнодорожными линиями, сын кузнеца и внук сапожника, бывший подмастерье переплетной мастерской, а потом знаменитый английский ученый Михаил Фарадей открыл явление электромагнитной индукции. Это открытие дало толчок гению изобретателей, которые в полвека создали совершенно новую область техники, получившую впоследствии от Вернера Сименса название «электротехники».

Открытие, сделанное Фарадеем, не было делом случая. Фарадей сознательно искал новый источник для получения электрической энергии. В природе много таких источников. Практически же до Фарадея пользовались лишь источником электрохимическим в виде гальванических элементов, изобретенных в 1800 г. итальянским ученым Александром Вольта. Они употребляются и до сих пор, в виде «батарей» для электрических звонков и карманных фонарей. Так как этот источник давал очень слабый ток, существовало убеждение, что электрический ток вообще пригоден лишь для «тонкой» работы — включать и выключать, а для тяжелой вовсе не может быть использован. В сущности говоря, с тех пор, как согласно греческой легенде, пастух Магнус, забравшись на гору Иду, познакомился с силой, притянувшей к скале гвозди его сандалий и железный конец палки, физики до Фарадея знали не многим больше, того, что знал о таинственной силе, получившей по его имени название магнетизма и сам пастух. За две тысячи лет, человечество, которому было так же хорошо известно и замечательное свойство янтаря — по-гречески «электрона» — притягивать к себе мелкие частицы, если его предварительно потереть о шерсть, не двинулось вперед в изучении этих загадочных электромагнитных явлений. Оно почти не использовалось ими и для практических нужд, если не считать введения европейцами в мореплавании компаса.

Ко времени работ Фарадея было установлено только, что каждое заряженное электричеством тело влияет на другое, находящееся вблизи тело в том смысле, что и это последнее заряжается электричеством. Фарадей впервые перенес это свойство на идущие по проволокам электрические токи. После долгих исканий, он выяснил, что всякий раз, когда замыкают или размыкают ток, в находящемся поблизости замкнутом проводнике также образуется ток. Это открытие Фарадея послужило исходным пунктом для работ многих изобретателей, стремившихся устроить машину, вырабатывающую электрический ток.

Он брал катушку, обмотанную изолированной медной проволокой, и быстро вводил в отверстие катушки магнитный стержень: оказывалось, что в момент введения магнита по проволоке проходил электрический ток, а в момент удаления стержня по проволоке также проходил ток, но уже обратного направления. Это явление, называющееся магнитной индукцией, давало возможность получать электрические токи простым механическим передвижением магнита относительно замкнутых проводников.

Вслед за открытием Фарадея, в том же году, итальянцем Пиксием построена была магнитно-электрическая машина, а за нею появились подобные же машины других изобретателей. Они состояли из одного или нескольких больших и сильных магнитов, между полюсами которых вращались катушки, обмотанные проволоками. Вследствие вращения этих катушек, в проволоках образовывались электрические токи, соединявшиеся потом в один более сильный переменный ток, который и подавался на место для его использования.

Через тридцать лет итальянец Пачинотти взял вместо катушки кольцо из мягкого железа, вокруг которого обмотал изолированную проволоку, и поместил это кольцо между магнитными полюсами; при вращении кольца в обматывавшей его проволоке получился электрический ток. Но еще более значительный шаг вперед сделал Вернер Сименс, спустя семь лет введший в молодую электротехнику динамоэлектрический принцип.

Уже до него изобретатели стали вместо постоянного магнита снабжать свои машины электромагнитами. Электромагниты представляют собой стержни, обмотанные медной проволокой, по которой пропускается от какого-нибудь источника электрический ток. Когда по проволоке проходит ток, стержень имеет все свойства магнита. Недостатком этого электромагнита являлось то, что для него нужна была гальваническая батарея, которая быстро разряжалась. Следовательно необходимо было найти для электромагнита источник тока более надежный и длительно действующий. Не было, конечно, ничего проще, как воспользоваться током, вырабатываемым самой машиной, но сначала ведь должны действовать электромагниты!

Откуда же взять, не прибегая к посторонним машинам и батареям, этот начальный ток, хотя бы и самый слабый?

Было известно, что каждый кусок железа, если он был ранее намагничен, обладает свойствами магнита, хотя и в очень слабой мере. Было также известно, что, если кольцо из мягкого железа, обмотанное проволокой, вращается между концами подковообразного магнита, то в обмотке кольца появится слабый ток. Думая об этом, Вернер Сименс нашел простое решение вопроса. Чтобы усилить этот слабый ток, его следовало пустить вокруг электромагнита. Магнитность электромагнита усилится, а это усилит в свою очередь индукционный ток, и налицо будет взаимное усиление, благодаря чему можно получать ток любой силы простым повышением скорости вращающегося железного кольца, обмотанного проволокой.

Этим и было положено основание всей современной электротехнике.

Подобно тому, как это происходит во всех областях техники, Вернер Сименс ни в коем случае не может считаться изобретателем самовозбуждающегося электромагнитного генератора электрического тока. Он пользовался опытом своих предшественников и современников, может быть, более чем кто-либо другой. Электромагниты были впервые введены в практику английским изобретателем Уайльдом. Явление самовозбуждения одновременно наблюдал, кроме Сименса, ряд изобретателей. Машины, построенные на принципе самовозбуждения, патентовались в Англии датчанином Хиортом и англичанином Джоном Мюрреем. Одновременно с докладом Сименса о построенной им динамомашине, на том же заседании Лондонского королевского общества, английский ученый Чарльз Уистон продемонстрировал построенную им машину, основанную на том же принципе.

Но лишь Вернер Сименс от научно-исследовательских опытов разных изобретателей в разных уголках земного шара перешел к постройке практически удобной машины и стал энергично внедрять ее в различные области промышленности и транспорта.

Четверть века спустя, после сделанного им открытия, что «при помощи одних катушек и мягкого железа можно превращать механическую энергию в ток», Сименс писал в своих воспоминаниях:

«Создание динамо-электрической машины положило основание новой обширной отрасли промышленности и почти во всех областях техники подействовало революционизирующим образом и продолжает еще так действовать…»

⠀⠀ ⠀⠀ ⠀⠀

Вернер Сименс родился 13 декабря 1816 года в имении, арендованном его отцом, близ Ганновера, учился же и рос в Менцендорфе, куда затем перебралась вся семья. Сначала он учился дома вместе с братьями, а затем был отправлен в Любекскую гимназию, внушившую ему отвращение к греческому языку и грамматике. Это отвращение к отвлеченным гимназическим наукам побудило юношу стремиться попасть в учебное заведение другого типа. Не имея возможности попасть в Строительную академию, он ушел пешком в Берлин, чтобы поступить в артиллерийскую школу, где, как ему сказали, также занимаются не богословием и филологией, а математикой и физикой.

Однако для поступления в артиллерийское училище нужно было пробыть несколько времени на военной службе. Юноша пошел и на это. Через год он получил командировку в Берлинское артиллерийское инженерное училище, откуда через три года и вышел артиллерийским офицером.

С того времени и начинается его научная, а главным образом практическая техническая деятельность, продолжавшаяся всю жизнь.

Сименс обладал неукротимой энергией, живостью, изобретательностью и предприимчивостью. Сначала он занялся опытами с артиллерийскими зажигательными трубками, потом гальванопластикой и, наконец, электрическим телеграфом. В области телеграфии он внес несколько усовершенствований, построив свой аппарат. Для изготовления этих аппаратов Сименс вошел в сделку с владельцем небольшой мастерской в Берлине Иоганном Гальске, оказавшимся талантливым механиком и конструктором. Они открыли совместно небольшое предприятие, которое выросло впоследствии во всемирно известную фирму «Сименс и Гальске». В руках этих компанионов, обладавших предприимчивостью, практическим чутьем, талантом и изобретательностью, дело развивалось со сказочной быстротой.

⠀⠀ ⠀⠀ ⠀⠀

⠀⠀ ⠀⠀ ⠀⠀ Вернер Сименс

⠀⠀ ⠀⠀ ⠀⠀

⠀⠀ ⠀⠀ ⠀⠀

Первая половина жизни Сименса была посвящена телеграфно-строительному делу. Развитию его Сименс много помог изобретением машины для покрывания медной проволоки гутаперчей. Она имела огромное значение для изготовления изолированных проводников и кабелей. Построив ряд телеграфных линий в Германии, Сименс перенес деятельность в другие страны и прежде всего в Россию.

Здесь, покровительствуемый всемогущим сатрапом Николая 1 графом Клейнмихелем, Сименс нажил на постройке телеграфных линий колоссальные деньги. Вместе с тем, расширение деятельности увеличивало предприятие «Сименс и Гальске» в Берлине, где подбором талантливых инженеров и рабочих Сименс обеспечил осуществление многих своих идей.

Надо заметить, что изобретательская, особенно же научная деятельность Сименса отнимала у него меньше сил и времени, чем предпринимательская. Одаренный от природы, он занимался научно-техническими вопросами по большей части только тогда, когда к этому вынуждали потребности его предприятий.

Даже созданный им генератор электрического тока был скорее вызван к жизни сознанием, что для расширения потребления многих электротехнических приборов необходим практически удобный источник электрической энергии.

Сименс и сам сознается в этом:

«Направление моей богатой научными открытиями деятельности определялось в это время исключительно нуждами техники», — пишет он в своих воспоминаниях.

Самым важным изобретением Сименса был сконструированный им в 1856 году так называемый «якорь». Он имел форму двойного «Т» и состоял из продолговатого железного цилиндра с двумя глубокими продольными впадинами для укладки проводников. Якорь вращался между полюсами нескольких плоских подковообразных магнитов и составлял главную часть динамомашины.

Динамомашина, после паровой машины Уатта, произвела настоящий переворот во всей индустрии, положив начало новой области техники. Динамомашина обладает свойством обратимости процесса, а именно при питании ее электрическим током от постороннего источника она становится сама мотором. Таким образом вместе с динамомашиной был создан и электромотор. Всякая динамомашина легко могла быть превращена в электромотор.

Действительно, и в настоящее время электромоторы мало чем отличаются от динамомашины. Наиболее простая динамомашина Сименса состоит из якоря, вращающегося между двумя электромагнитами: возникающий при этом сначала слабый ток, проходя по изолированной проволоке вокруг электромагнитов, усиливает их, вследствие чего усиливается и возбужденный в обмотке якоря индукционный ток. Если же мы не будем вращать якоря, а поступим наоборот — введем в катушки якоря ток извне, тогда якорь придет во вращательное движение.

Из этого видно, что в принципе каждой динамомашиною можно пользоваться, как электромотором, если вместо того, чтобы вращать якорь, мы будем вводить в магнит ток от постороннего источника, и машина превратится в электромотор.

Таким образом электромотор превращает электрическую энергию в механическую, тогда как в динамомашине механическая энергия превращается в электрическую.

С установлением свойства обратимости динамомашины, легко было, уже воспользовавшись способностью электрического тока передаваться на расстояние по простой металлической проволоке, полученную в одном месте электроэнергию передавать в другое место и здесь превращать снова в механическую, применив электромотор.

С установлением этих положений, началось бурное развитие электротехники и внедрение электродвигателя во все области промышленности и транспорта.

Очень скоро выяснились и основные преимущества электромотора перед всеми остальными двигагелями: малый размер и вес, бесшумность и бездымность, ненужность фундамента, большая мощность, постоянная готовность к работе и — что особенно важно для транспортного двигателя — простота реверса и уменьшение числа оборотов.

Впервые идея использования электричества для движения экипажа возникла еще в 1834 году в Америке у некоего Томаса Давенпорта, изготовившего игрушечные электрические локомотивчики. Они приводились в движение гальваническими элементами.

Вскоре электрические экипажи начали получать и практическое значение. В 1838 году на улицах Лондона появились экипажи некоего Давидсона, двигавшиеся при помощи электромотора. На публику они не произвели большого впечатления, но ими пленилась лондонская полиция, которая и приобрела для себя несколько таких экипажей. Полицейские электрические автомобили имели под сиденьем батареи аккумуляторов, хранивших запас электроэнергии. Электромотор, получавший энергию от аккумуляторов, работал на ось экипажа при помощи зубчатой передачи.

Автомобили двигались довольно быстро, но несмотря на многие их преимущества развитию их и до сего времени препятствует громоздкость аккумуляторных батарей, нуждающихся к тому же в частой зарядке.

Тем не менее, электрические автомобили строились и ими пользовались до тех пор, пока они не были вытеснены несравненно более удобными и выгодными современными бензиновыми автомашинами.

Проблема электротяги была разрешена только с появлением динамомашины и пионером введения электродвигателя на транспорте был все тот же Вернер Сименс.

В 1879 году он демонстрировал на Берлинской промышленной выставке модель трамвайной линии, вернее электровоза, тянувшего за собой три вагона. Электромотор мощностью в 13 лошадиных сил, помещенный на четырехколесной тележке, поставленной на рельсы, работал непосредственно на ведущую ось электровоза. Этот электрический поезд, рассчитанный на 78 пассажиров, шел по узкоколейному кругу, длиною в триста метров, со скоростью около семи километров в час и пользовался большим успехом на выставке.

Посетители выставки неизменно заканчивали осмотр прогулкой на электрической железной дороге.

⠀⠀ ⠀⠀ ⠀⠀

⠀⠀ Первый электровоз на Берлинской промышленной выставке

⠀⠀ ⠀⠀ ⠀⠀

⠀⠀ ⠀⠀ ⠀⠀

Демонстрация первого электровоза имела очень важное значение для дальнейшего развития электрических железных дорог. Сименс наглядно доказал, что электрический ток пригоден не только для «тонкой» работы включения и выключения, как это было на телеграфе, но вполне может выполнять и всякие другие функции вплоть до самых «тяжелых работ» на транспорте.

Успешное разрешение проблемы электротяги было последней крупной работой Вернера Сименса. К этому времени он состоял уже членом Берлинской академии наук. Отступив на этот раз от обычного принципа избрания своих членов, она предоставила почетное место технику-практику, научные труды которого ограничивались несколькими работами, сделанными в молодости и не имевшими серьезного научного значения.

Сименс умер 6 декабря 1892 года, дожив до того времени, когда электротехника, в создании которой ему принадлежит несомненно одно из самых видных мест, стала важнейшей областью техники.

Развитие электротехники в конце девятнадцатого и начале двадцатого века шло чрезвычайно быстро и привело к коренным изменениям во многих производственных процессах. Огромное значение имело ее развитие и в области железнодорожного транспорта.

Электровозы Сименса относятся уже к группе не аккумуляторных электровозов, а контактных. Электромоторы их питаются током посредством токоприемника от контактного провода.

Провод этой первой электрической железной дороги был проложен в рельсах.

Почти одновременно знаменитый Эдисон построил электровоз такой же мощности в Америке и некоторое время эксплуатировал его на железной дороге Норзерн — Пасифик.

Успех выставочной электрической дороги побудил фирму «Сименс и Гальске» закрепить за собой права на изобретение и начать постройку таких дорог в более широком масштабе. Вместе с тем фирма выпустила и свой первый рудничный электровоз, предназначенный для работы в копях.

⠀⠀ ⠀⠀ ⠀⠀

⠀⠀ ⠀⠀ ⠀⠀ Первый рудничный электровоз „Сименс и Гальске“

⠀⠀ ⠀⠀ ⠀⠀

⠀⠀ ⠀⠀ ⠀⠀

В 1889 году фирма «Сименс и Гальске» закончила электрическую дорогу в Лихтерфельде близ Берлина, длиною около трех километров. Это был первый электрический трамвай с питанием током через рельсы. Электромотор помещался под полом вагончика, между осями колес и вращение его передавалось при помощи стального троса ведущим колесам. На обеих площадках вагончика были установлены два рычага: один управлял обыкновенным механическим тормозом, а другой служил для управления электромотором, то есть скоростью его хода и переменой прямого хода на обратный.

Дальнейшее развитие трамваев пошло по тому же пути и устройство их остается в основном таким же. То, что пассажиры трамваев обычно называют мотором — механизм, находящийся на площадке вагона — есть только аппарат, регулирующий работу электродвигателя, который помещается между осями вагона и приводит их в движение.

⠀⠀ ⠀⠀ ⠀⠀

⠀⠀ ⠀⠀Электрический мотор уличных железных дорог

⠀⠀ ⠀⠀ ⠀⠀

⠀⠀ ⠀⠀ ⠀⠀

Подобные же дороги одна за другой были построены в Оффенбахе, в Меглинге, в Вене. Впечатление, произведенное ими было далеко не таким, как от первых железных дорог. Долгое время они как-то не привлекали к себе большого внимания, может быть из-за дороговизны и неудобств, связанных с прокладкой провода в рельсах, и недостаточного развития электростанций, могущих подавать ток.

Лишь с дальнейшим развитием электротехники и с заменой проводки тока по рельсам очень простой воздушной проводкой, придуманной американцами, электрические железные дороги в виде трамваев, воздушных дорог и метрополитенов начали распространяться по всему миру с необычайной быстротой.

Немецкое изобретение, доработанное американскими техниками, возвратилось в Европу и, прежде всего, в Германию. Однако у немцев воздушная подвеска проводов встретила сильное сопротивление. Эстеты воевали против обезображивания улиц проволокой и столбами, а практики смотрели на них, как на помеху для движения. Американцы мало заботятся о красоте своих улиц. Вслед за воздушными проводами, они стали подвешивать на столбах и железнодорожные рельсы, вовсе не заботясь о том, что они действительно делали улицы чрезвычайно непривлекательными.

⠀⠀ ⠀⠀ ⠀⠀

⠀⠀ ⠀⠀ ⠀⠀ Электрическая воздушная подвесная дорога

⠀⠀ ⠀⠀ ⠀⠀

⠀⠀ ⠀⠀ ⠀⠀

Уступая соотечественникам, Сименс и Гальске вновь обратились к подземной проводке тока и с такой проводкой построили трамвай в Будапеште. Однако дороговизна и неудобства этой проводки и пример американцев сломили сопротивление, и европейцы перешли на воздушный провод. Немецкое самолюбие старик Сименс удовлетворил тем, что американский контактный ролик, катящийся по проводу, был заменен более солидной, но едва ли более удобной и красивой, контактной петлей.

Электрическая тяга на железных дорогах была также впервые введена в Америке. Ближайшей побудительной причиной к этому послужили туннели с густым товарным движением, в особенности же туннели с подъемом. Подъемы вызывают интенсивную работу котлов паровоза и туннель наполняется при этом на долгое время дымом. Известен случай, происшедший незадолго до электрификации американских туннелей в старинном Джиовийском туннеле в Италии, длиною в три километра, славящемся своей плохой вентиляцией, когда машинист и кочегар задохлись от дыма, наполнявшего туннель. Поезд, благодаря крутому подъему, покатился обратно и наткнулся на шедший вслед за ним товарный поезд. Катастрофа сопровождалась гибелью пассажиров и огромными материальными убытками.

В Америке начали один за другим электрифицировать туннели на сильно загруженных линиях. Первым опытом этого рода была электрификация туннеля Балтимор — город на линии Балтимора — Огайо, ведущей из Филадельфии в Вашингтон. Это было в 1895 году.

Электрификацией удалось затем разрешить сложную задачу туннельных подходов к Нью-Йорку.

Вслед за туннельными участками электрификация перешла в область перевальных дорог. Пропускная способность перевальных участков с паровозной тягой очень низка. Электровоз же, имея большую, чем паровоз, мощность, оказался способным вести на том же подъеме более тяжелые по весу поезда или, при том же весе поезда, преодолевать бо́льшие подъемы.

⠀⠀ ⠀⠀ ⠀⠀

⠀⠀ ⠀⠀ ⠀⠀ Выход паровоза из туннеля Забайкальской ж. д.

⠀⠀ ⠀⠀ ⠀⠀

⠀⠀ ⠀⠀ ⠀⠀

Для этих электрифицированных участков «Всеобщей компанией электричества» в Америке были построены первые электровозы весом в тридцать тонн, мощностью в 240 лош. сил, развивавшие скорость в 46 километров в час. Они выяснили все основные преимущества электровоза перед паровозом и положили начало новому роду локомотивов, прототипом которых служит трамвайный вагон.

Вместе с тем электрическая тяга отвоевала у паровой третью область и здесь заняла прочное положение: это область пригородного сообщения. Частое движение мелких поездных единиц, эластичность в приспособлении к густоте движения в различные часы дня, бо́льшие ускорения при страгивании с места на частых остановках, отсутствие дыма и копоти, возможность вводить поезда в центральную часть города, удобство обратного отправления поездов с конечных станций без маневров — все эти свойства полностью присущи электрическим поездам, состоящим из моторных и прицепных вагонов.

В этих трех областях железнодорожного движения электрическая тяга имеет решительные преимущества перед паровой и американцы, называя применение здесь электрической тяги «вынужденной электрификацией», считают, что другого технического разрешения вопроса и невозможно найти.

Мнение, что электрификация не пойдет далее этих трех областей, и электрическая тяга ограничится применением моторных вагонов с прицепными на пригородных участках и специальных электровозов для туннельных и перевальных участков держалось, однако, очень недолго.

Опыт эксплуатации первых электровозов очень быстро убедил в преимуществах электровоза перед другими тяговыми машинами. Прежде всего бросалась в глаза неограниченная мощность электровоза. Несколько сцепных осей могут быть соединены в тележки Под одним электровозом, а два или три подобных электровоза могут быть соединены без всяких неудобств для двойной и тройной тяги. Таким образом выяснилось самое большое преимущество электровоза перед паровозами: возможность увеличения пропускной способности дороги без прокладки дополнительных путей.

⠀⠀ ⠀⠀ ⠀⠀

Электрифицированный участок Запорожье — Долгинцево Сталинской ж. д.

⠀⠀ ⠀⠀ ⠀⠀

⠀⠀ ⠀⠀ ⠀⠀

Не менее важное преимущество электровоза — его экономичность. Заменяя два и три паровоза, он сокращает эксплуатационные расходы. Кроме того, используя районные центральные электрические станции, получается возможность заменить высокосортное топливо, сжигаемое на паровозе, малоценным, потребляемым электростанцией, и даже еще более дешевой водной энергией гидростанций.

К началу мировой войны кое-где электрификация отдельных линий и небольших сетей была проведена в силу экономических соображений. Так, не имеющая своего угля Италия предпочла воспользоваться ресурсами водной энергии в своей северной части и электрифицировать железные дороги, нежели покупать иностранный уголь. Германия, имеющая в Саксонии богатые залежи дешевого бурого угля, используя его в центральных электростанциях железных дорог, электрифицировала сначала все линии в Саксонии, а затем и в Силезии. В Швейцарии же к началу войны, была проведена почти полная электрификация сети.

Используя водную энергию реки Миссури, американцы электрифицировали несколько участков железных дорог в Монтане, а затем в Скалистых горах, с целью установить экономическую выгодность этой системы. Обе дороги дали самый благоприятный результат. Интересно, что единственным недостатком этих дорог, впрочем для капиталистического хозяйства очень существенным, была признана легкость остановки электрифицированных дорог бастующими рабочими.

Опыт эксплуатации первых электрифицированных дорог повлек за собою дальнейшее развитие электрификации по ряду технико-экономических соображений.

⠀⠀ ⠀⠀ ⠀⠀

⠀⠀ ⠀⠀ ⠀⠀