Вступ

Цей матеріал присвячений розвитку наземного транспорту – від колеса до сучасних магнітолевітаційних транспортних систем. Останні характеризуються абревіатурою ВШНТ – високошвидкісний наземний транспорт. Якщо вести розповідь про всі основні розробки, потрібно писати велику книгу. Тому ми обмежимося певною лінією розповіді, виключаючи деталі або зовсім не згадуючи таких транспортних систем, як автомобіль, електромобіль, паровоз, тепловоз, високошвидкісні колісні поїзди та деякі інші. Серед магнітолевітаційних транспортних систем ми не описуватимемо монорейку. 

Лінія нашого оповідання буде наступною: колесо, віз; залізниця, поїзд з електричною тягою; магнітолевітаційні поїзди. Ми побачимо, що впродовж усієї лінії оповідання у розвитку транспорту, з одного боку, постійно вдавалося домогтися зниження сили тертя транспортного засобу о поверхню землі, з іншого боку, в останні десятиліття переслідувалися екологічні мети – зниження викидів парникових газів і шкідливих речовин. 
Сподіваємося, матеріал буде цікавим та пізнавальним для читачів.

1. Колесо. Віз

Колесо є, мабуть, найважливішим винаходом людини в галузі механіки. Винахід колеса пов'язують із якісними змінами у соціально-економічній сфері життя суспільства. Однак ми не можемо точно стверджувати, де, коли і яким чином було створено основу багатьох колісних технологій. Звичайно, археологія та вуглецеве радіоізотопне датування дозволили виявити кілька цивілізацій, які могли б стати винахідниками колеса, і навіть оцінити час створення колеса. Але справа в тому, що колесо і колісні технології були впроваджені дуже швидко в різних місцях, тому точно не відома батьківщина винаходу. Можливо, колесо мало кілька незалежних один від одного винахідників. Зазвичай вважається, що колесо було винайдено приблизно 4000-3800 рр. до н.е., причому перша дата відноситься до Месопотамії, а друга до Чорноморського узбережжя сучасної північної Туреччини. Пізніші знахідки (близько 3200 років до н.е.) належать до степової зони ямної культури (Східна та Центральна Європа, Північний Кавказ).
 

Нещодавно з'явилася версія, що колесо винайшли рудокопи Карпатських гір приблизно 6000 років тому, а звідти воно вже поширилося Європою, степом і Близьким Сходом. Справа в тому, що на той момент стало важче добувати мідну руду, оскільки доводилося все більше заглиблюватися в шахти і витягувати контейнери з рудою на поверхню. Археологія демонструє, що моделі возів пізнього мідного віку, знайдені у Карпатському регіоні (сучасні Угорщина та Румунія), мають прямокутну форму з трапецієподібними боками, що відповідає формі сучасних шахтарських вагонеток.

По всій ймовірності, для переміщення важкого контейнера (кошика або ящика) шахтарі, швидше за все, використовували ролики, розташовані вздовж доріжки. По мірі руху перетягували вручну ролики від задньої частини ящика до передньої. На таких проторельсах люди могли заштовхувати в шахту ширший контейнер, тобто візок, оскільки тепер людині не потрібно було постійно переміщатися збоку від нього. Потім здогадалися винайти колісну пару або колеса, закріплені на осі. Вони могли забезпечити візку більш високий кліренс (зазор між землею та днищем), щоб долати виступи, каміння та різні уламки в шахті. Тепер, якщо одне колесо втрачало точку опори, друге могло продовжувати рух. Виходить, що самі умови шахт у Карпатських горах змусили людей винайти колесо та колісні технології. Зазначена версія не суперечить ідеї незалежного відкриття колеса іншими цивілізаціями (за межами Європи).

Колесо дозволило транспортним засобам різко знизити силу тертя о поверхню землі, оскільки сила тертя кочення значно менше сили тертя ковзання.

Віз на колесах став поширеним транспортним засобом. Зазвичай віз тягли великі сильні тварини: воли, верблюди, слони, коні, осли, а також собаки. Як і багато що винайшло людство, колісні технології стали широко застосовуватися у військовій справі. Відомі двоколісні візки – бойові колісниці, запряжені кіньми.

У Стародавньому Римі у І столітті до н.е. для подорожей використовували підресорені вози. Вірогідно, римляни використовували один із перших варіантів ресори у вигляді ланцюгів чи шкіряних ременів. Це суттєво пом'якшувало тряску від їзди дорогами різної якості.
Чотириколісні вози застосовувалися як цивільний транспорт, а також у складі військових обозів, які забезпечують рух армійських частин. Візки могли їздити як по ґрунтовій дорозі, так і по вимощеному камінням або колодами шляху, що набагато ефективніше для переміщення, хоча й вимагало капіталовкладень та робочої сили на будівництво доріг.

2. Залізниця. Електровоз

Якщо не пошкодувати капіталовкладень та робочої сили для створення колійної структури, то це може багаторазово окупитися під час руху транспорту такою колійною структурою. Це стало стимулом для створення залізниць. В якості шляхової структури стали використовувати спеціальні рейки, і транспорт став переміщатися колесами, які котилися рейками. При цьому опір руху транспортного засобу помітно зменшився. Спочатку використовували дерев'яні рейки, згодом перейшли на рейки металеві. Як тягову силу спочатку використовували коней, потім перейшли на більш потужні машини – паровози, а пізніше винайшли електровоз.

Ймовірно, перші дерев'яні колії з'явилися в Німеччині в XVI столітті на шахтах. Цими шляхами переміщали вагонетки з колесами, які оснащено ребордами. У другій половині XVI ст. з'явилися дерев'яні рейкові дороги для вагонеток в Англії. Потім Англія виходить вперед, як промислова країна, що швидко розвивається, і в XVII столітті зазначені рейкові дороги набувають досить широкого поширення.

Як бачимо, винахід залізниці, подібно до розробки перших колісних технологій, стимульований гірничодобувною промисловістю, яка розвивається. У XVII столітті в Англії з'являється перша рейкова наземна дорога (1603-1604 рр.). Це так звана Wollaton Wagonway – для перевезення вугілля кінною тягою. Після цього поступово почали з'являтися довгі рейкові дороги з кінною тягою поза шахт, рудників і заводів.

У XIX столітті в Англії з'явилися залізниці, які витіснили дороги дерев'яні. Наприклад, у 1806 р. була запущена залізниця Swansea and Mumbles Railway з кінною тягою. У 1807 р. ця дорога стала також перевозити пасажирів. З цього моменту почали поширюватися міські пасажирські рейкові дороги з кінною тягою.

Шахтна дерев'яна колія і вагонетка, Німеччина, XVI століття (Німецький технічний музей). Вікіпедія

Винахід парової машини зазвичай пов'язують із різними розробками парових двигунів в інтервалі 1698-1784 рр., причому останній найбільш ефективний варіант розробки належить Джеймсу Уатту. Після 1784 р. відкрилася можливість створити паровоз. 

На початку ХІХ століття Джорджу Стефенсону вдалося не тільки розробити перші вдалі конструкції паровоза, а й брати активну участь у створенні першої залізниці, здатної витримати важкий паровоз (Англія, 1825 р.). Ця перша Railway з паровою тягою була завдовжки лише 40 км. Але вже через 15 років (до 1840 р.) протяжність залізниць у Великобританії досягла 2390 км.

Однак паровози виявилися не найкращим варіантом локомотива. Час минав, і димлячих, коптящих монстрів замінили електровози. Але для цього потрібний був електродвигун. Вважається, що перший електродвигун продемонстрував Майкл Фарадей ще 1821 р., але він був не придатний для промислового використання. Це був лише демонстраційний пристрій малої потужності та низького ККД. У 1834 р. Борис Семенович Якобі (Моріц Герман фон Якобі) розробив перший ефективний електродвигун, у якому обертався якір. Тоді ж їм було опубліковано важливу роботу «Про застосування електромагнетизму для приведення в рух машини». Після 1834 р. стало можливим створення електровоза. 

Електровозом вважають локомотив поїзда, який рухається встановленими на ньому тяговими електродвигунами. При цьому електродвигуни можуть живитися від зовнішніх джерел електроенергії через тягові підстанції контактної мережі (наприклад, від проводів), а в окремих випадках – від бортових акумуляторів або безконтактним способом (через електромагнітну індукцію від прокладеної вздовж шляху силової шини). Електровоз швидко продемонстрував екологічні переваги порівняно з паровозами, які створювали суспільні незручності димом від згоряння вугілля. Найбільш популярні варіанти електровозів використовують відомі колісні технології, і в цьому сенсі не відрізняються від паровозів і більш сучасних тепловозів. Електровози та тепловози сьогодні можуть частково замінювати один одного, переміщаючись стандартними залізничними коліями.

Електровоз веде поїзд у гірській місцевості. Німеччина (1931). Вікіпедія

Історія винаходу електровоза така. У царській Росії 1875 р. на залізниці під Сестрорецьким інженер і винахідник-одинак, штабс-капітан Піроцький Федір Аполлонович вперше запустив залізничні вагони електричною тягою. Також він один із перших, хто винайшов трамвай на електричній тязі. У Німеччині у 1879 р. німецький інженер Вернер фон Сіменс на німецькій промисловій виставці продемонстрував електровоз потужністю 3 кінські сили (2,2 кВт). Це був локомотив для катання відвідувачів територією виставки, який досягав швидкості всього 6,5 км/год, і живився постійним струмом при 160 В (від третьої рейки). Американський винахідник Лео Дафт у 1883 р. створив свій перший електровоз «Ампер». Локомотив мав масу 2 тонни та міг тягнути 10 тонн зі швидкістю 16,7 км/год, при цьому потужність машини становила 25 кінських сил (18,4 кВт).

Таким чином, електровоз був винайдений наприкінці XIX століття одразу у кількох країнах. На початку XX століття у багатьох країнах з'являються електричні локомотиви, пасажирські вагони з тяговими двигунами та трамваї. Підвищилася швидкість. Наприклад, 1903 р. поїзд, у складі якого був моторний вагон виробництва компанії Сіменс, розвинув швидкість 210 км/год на ділянці в районі Берліна.

Сьогодні, напевно, немає розвинених країн, де б не використовувалися електровози. Однією з найважливіших переваг сучасних електровозів перед сучасними тепловозами є можливість природної рекуперації енергії. Йдеться про те, що кінетичну енергію руху поїзда з електровозом можна нескладним методом у разі гальмування трансформувати назад у електричну енергію, та повернути її в контактну мережу. Це забезпечено конструкцією електродвигуна, який у режимі гальмування працює як електрогенератор. Таким чином, електровоз є принципово більш екологічним та енергозберігаючим порівняно з паровозами та тепловозами.

Залізниці за весь час свого існування широко використовувалися не тільки для мирних цілей, і перевозили не лише цивільне населення та товарні вантажі. Під час збройних конфліктів та світових воєн залізниці використовувалися, по-перше, як транспортні артерії, і по-друге, як місце ведення збройної боротьби із противником чи безпосереднього забезпечення потреб армії. Наприклад, у XX столітті під час війни на залізницях широко застосовувалися санітарні потяги та потяги хімзахисту. Також застосовувалися бойові бронепоїзди. У роки холодної війни в США і СРСР розроблялися спеціальні поїзди з міжконтинентальними балістичними ракетами (МБР). Особливо досяг успіху в цьому СРСР, в якому в 80-х рр. XX століття був розроблений бойовий залізничний ракетний комплекс, що має на озброєнні МБР з ядерними боєголовками, що розділяються. Головний розробник – Конструкторське бюро "Південне", м. Дніпропетровськ, нині м. Дніпро, Україна.

3. Магнітолевітаційні поїзди

Практично будь-хто з нас знає, що однакові полюси магнітів відштовхуються. На цьому загальновідомому явищі можна сконструювати «магнітну подушку» або, говорячи науковою мовою, магнітний підвіс для наземного транспорту. Потяг на магнітному підвісі під час руху відчуватиме мінімальний опір, оскільки він не торкається поверхні землі або поверхні колійної структури, а левітує завдяки відштовхувальній силі електромагнітної природи. Для того, щоб вагони відштовхувалися від прокладеної колії, необхідно створити особливу колійну структуру. При цьому необхідні помітні капіталовкладення, що перевищують витрати на будівництво звичайної залізниці. Однак після введення в експлуатацію поточні витрати обслуговування магнітолевітаційного поїзда (Maglev) значно нижчі від експлуатаційних витрат для звичайного залізничного складу, по-перше, за рахунок практичної відсутності зносу деталей (колес, рейок), по-друге, за рахунок суттєво зниженого опору руху.

У другій половині XX століття в Німеччині, Японії, Великій Британії, СРСР, Республіці Корея (Південній Кореї), Китаї почалися випробування експериментального магнітолевітаційного транспорту. Перші дослідження з перевезенням пасажирів на Maglev розпочалися у 1970-х роках у Японії та Німеччині. Як тягову установку зазвичай використовували лінійний синхронний електродвигун. Принцип роботи його наступний: вздовж колійної структури організується хвиля силового магнітного поля, що біжить, яка тягне за собою електромагніти, встановлені внизу вагонів Maglev. Швидкість хвилі встановлена так, щоб відповідати швидкості поїзда.

В Україні розробку високошвидкісного Maglev розпочали вчені Інституту транспортних систем та технологій НАНУ під керівництвом В.О. Дзензерського – першого директора Інституту. У важких умовах 90-х років минулого століття вченим вдалося створити передовий на той момент кріомодуль із надпровідним електромагнітом та продемонструвати магнітну левітацію експериментального транспортного засобу, що вміщає кілька пасажирів.
 

Сьогодні транспортна система Maglev успішно працює та перевозить пасажирів у Японії, Китаї, Республіці Корея. При цьому, в Японії та Кореї Maglev використовує електродинамічний підвіс, а в Китаї електромагнітний. У першому випадку потужні надпровідні електромагніти, встановлені на вагонах, у разі руху складу індукують струми в колійній структурі, і тим самим створюють магнітне поле у відповідь, яке протиспрямоване магнітному полю надпровідних електромагнітів. У результаті виходить ефект стійкого магнітного відштовхування, який не вимагає складної електронної системи управління. Однак у стані спокою або повільного руху (менше 100 км/год) ефект магнітної подушки зникає або занадто слабкий. Тому використовуються додаткові колеса для руху на невеликих швидкостях або для зупинки. У другому випадку електромагніти, встановлені на вагонах, постійно активно керуються електронною системою для ефективного магнітного відштовхування від колійної структури. Тут додаткові колеса не потрібні, а поїзд може левітувати навіть у стані спокою. Але цей варіант має свої недоліки, зокрема, тут виходить суттєво менший зазор між вагонами та колійною структурою (кліренс), ніж у першому випадку.

На сьогодні рекорд швидкості Maglev досяг ≈600 км/год. Науково-технічні розробки сьогодні націлені на вдосконалення окремих елементів Maglev, системи керування рухом та/або магнітним підвісом, системи тягового двигуна (зазвичай це лінійний синхронний двигун), розробку нових концепцій Maglev. У світі ведуть будівництво нових трас для магнітолевітаційних поїздів. Електропостачання Maglev забезпечують від силових підстанцій, підключених до ліній електромереж. Однак, існують проекти електропостачання Maglev від поновлюваних джерел енергії – фотоелектричних панелей та вітроенергетичних установок. Авторство деяких подібних розробок належить Інституту транспортних систем та технологій НАНУ.

Магнітолевітаційні потяги поки що не стали масовим видом транспорту. Однак, транспортні технології Maglev мають гарні перспективи для пасажирських перевезень і можуть поширитися у розвинених країнах у найближчі 20–30 років. Maglev стане ще комфортнішим. Пристрої на основі наноелектроніки зроблять подорож ще більш привабливою та цікавою. Перспективи широкого застосування Maglev також зростуть при прориві в області високотемпературної надпровідності, що може здешевити цей вид транспорту. При цьому буде вирішено питання магнітного захисту пасажирів, а швидкості поїздів досягнуть 600–700 км/год. Перевищення цих швидкостей недоцільне через різке зростання аеродинамічного опору та зростання енерговитрат на рух.

Висновок

Ми з вами коротко розглянули історію винаходу транспортних засобів та особливості транспорту. Ця історія характеризується тривалістю кілька тисяч років. Добре видно, що з часом важливі нововведення розробляються все частіше і частіше. Якби ми відклали по горизонтальній осі час, а вертикальної осі – кількість винаходів, то вийшов би графік, що різко спрямовується вгору. Цей феномен іноді називають «технологічною сингулярністю».

Висловлюються обґрунтовані побоювання щодо здатності нашої людської цивілізації пережити нинішній період технологічної сингулярності, і при цьому – не самознищуватись у руйнівних конфліктах.

© 2025