Движение без трения
(Публичная лекция, прочитанная в С.-Петербурге 31 марта 1914 года)
Приняв весной 1909 г. предложение занять кафедру физики в Томском Технологическом Институте, я в качестве темы для вступительной лекции решил развить те соображения о практических целях физики, которые вкратце изложены были в моем „Общем курсе физики“. Обдумывание подробностей этой лекции настойчивее заставило меня заняться интересовавшим меня и ранее предметом. настоящего моего сообщения, а потому я и позволю себе начать с вопроса о практических целях физики вообще.
Цели, преследуемые наукой, должны вытекать из определения ее содержания. Наиболее непосредственным определением физики является, по моему мнению, то, которое дал покойный проф. Шведов и которое основано на понятии о физическом деятеле, как о причине, вызывающей в нас внешнее ощущение. Соответственно наличности у человека семи внешних чувств — Врат Познания, как их назвал Джон Буниан — чувства осязания, мускульного чувства или чувства силы, чувства теплового, чувства зрения, чувства слуха, чувства обоняния и чувства вкуса,— мы имеем семь физических деятелей: вещество, сила, теплота, свет, звук, запах и вкус. В наличности первых пяти из этих деятелей мы можем убеждаться, как непосредственным ощущением от них, так и косвенно, пользуясь предварительно изученными нами связями между ними: например, о повышении температуры (теплота) мы можем судить как по непосредственному тепловому ощущению, так и по увеличению давления (сила), по изменению размеров вещественных тел (вещество), по изменению окраски тела или света, им испускаемого (свет), и т. п. Это позволяет нам включить в число физических деятелей и такие, как „электричество“, „магнетизм“, „тяготение“, „химическое сродство“, которые на нас непосредственно не действуют, но в наличности которых мы убеждаемся лишь на основании известных нам соотношений между ними и физическими деятелями, непосредственно на нас действующими. Однако, как для слепого безразличны наличность или отсутствие света в том, что его окружает, как для глухого безразличны наличность или отсутствие звука, так и для всех нас, поскольку речь идет о наших непосредственных ощущениях, безразличны наличность или отсутствие указанных не действующих на нас физических деятелей, а важны лишь наличность, или отсутствие тех физических деятелей которые ими вызываются к жизни и которые на нас непосредственно действуют.
Поэтому в дальнейшем мы можем ограничиться этими последними и кроме того даже исключить из их числа вкус и запах, так как эти деятели всегда непосредственно связаны с каким либо веществом и никакими объективными действиями не обладают. Таким образом остаются пять физических деятелей: вещество, сила, теплота, звук и свет,— и разнообразные комбинации воздействия их разнообразнейших видов (например, различных цветов света) на нас и представляют собою причины наших внешних ощущений, и через них — наших внутренних ощущений и наших умственных переживаний, так как эти последние в громадном большинстве случаев вызываются внешними раздражениями или, по крайней мере, сопровождают их.
Физические деятели действуют во времени и в пространстве — и потому можно определить физику (если считать механику и химию за части физики), как науку, изучающую физические деятели, их отношения ко времени и пространству и их соотношения друг с другом. Отсюда вытекают и практические цели физики: научить человечество пользоваться физическими деятелями, их отношениями ко времени, к пространству и друг к другу так, чтобы иметь возможность, по желанию, вызывать любое воздействие их на нас.
Если не обращать внимания на то, каким способом, пользуясь какими соотношениями между физическими деятелями, мы вызываем наличность того из них, который нас в данный момент интересует, то мы, вообще говоря, должны уметь лишь изменять отношение каждого физического деятеля ко времени и к пространству. Что касается до времени, то тут, очевидно, возможны следующие четыре и только четыре задачи:
- ) вызвать существование физического деятеля или определенного его вида,
- ) продлить существование,
- ) укоротить существование,
- ) прекратить существование.
Если рассматривать задачи об укорочении и прекращении существования, как обратную сторону задач об удлинении и вызывании существования, то по отношению ко времени будут налицо две основных задачи: создать физический деятель, сохранить созданный или имеющийся физический деятель. По отношению же к пространству возможна лишь одна задача — изменить форму, объем и положение той части пространства, где проявляет свое действие данный физический деятель,— или короче — переместить физический деятель. Если же нас интересует не только самое перемещение физического деятеля, но и тот промежуток времени, который идет на это перемещение, то мы получаем четвертую основную задачу практической физики: передавать физический деятель из одной части пространства в другую. Эта последняя задача и представляет в сущности комбинацию предыдущих: мы уничтожаем существование физического деятеля в одной части пространства и вызываем его существование в другой, но, так как нас интересует в этом случае не только факт перемещения, но и величина промежутка времени, через который появление физического деятеля во второй части пространства следует за его исчезновением в первой, то мы в праве рассматривать задачу о передаче, как самостоятельную.
Таким образом мы получаем 20 основных задач практической физики: уметь создать, сохранить, переместить и передавать вещество, силу, теплоту, звук и свет.
В данное время физнкой даны решения всех этих 20 задач в общем виде, тогда как еще 30—40 лет некоторые из них не только были не разрешенными, но и казались неразрешимыми, как, например, сохранение и передача звука (фонограф, телефон), сохранение и передача света (фотография в натуральных цветах, фотография изменяющихся явлений — кинематография, передача изображений на расстояние). Замечу тут же, что, раз идет речь о практических целях, то человечеству мало общего решения той или иной из этих задач, а нужно, чтобы физика давала решение, приложимое и удобоприложимое в тех частных случаях, в которых людям приходится ее решать, т.-е. чтобы физика считалась с тем, что человек живет на поверхности земного шара и что в окружающей его природе вещество, сила, теплота, свет и звук существуют и действуют зачастую независимо от него.
Таблица I дает обзор успехов практической физики — далеко не нсчерпывающий, так как исчерпывающий перечень представил бы собою итог всего материального прогресса человечества. — В ней курсивом обозначены те задачи, которые нашли себе практическое разрешение за последние 30—40 лет, а жирным шрифтом — те, которые ждут себе практического решения, хотя робкие шаги по направленио к их решению физикою уже сделаны.
Обдумывая, поскольку физикою разрешены этих 20 основных задач, я естественно остановился на тех их частных случаях, которые или вовсе еще не разрешены, или решение которых слишком мало проникло в жизнь культурного человечества. Вторая категория случаев в свою очередь распадается на две: такие задачи, практическое решение которых само по себе мало удовлетворительно, и такие задачи, решение которых удовлетворительно, но в практическом приложении которых в данное время не представляется особой надобности. К числу последнего рода задач относится пользование материалами водной и газообразной оболочек земного шара, которые человечество пока рассматривает лишь, как кладбище для отбросов. Заботясь иногда об очистке пнтьевой воды, и лишь в очень малой мере — о незагрязнении воздуха, люди пока забывают, что настанет через каких-нибудь 3—4 столетия, если пульс жизни человечества будет так же ускоряться, как ускорялся последнее время. При быстро уменьшающемся количестве неразработанной и незаселенной земли и очень быстро растущем числе жителей земного шара очень скоро воздух станет усиленно обогащаться углекислотою (я развил эти соображения в 1906 г. в своей статье „Социальные задачи опытных наук“) — и тогда придется подумать об обработке воздуха и очистке его от избытка углекислоты без помощи растений. В этом вопросе открытия последннх лет, касающиеся фотохимических реакций под влиянием ультрафиолетовых лучей и получения соединений из азота и кислорода воздуха при помощи электрических печей, дает полную надежду, что физика окажется в состоянии справиться с требованиями практической жизни.
Диаграмма I.Запас каменного угля (в миллиардах тонн) и количество истраченного угля в различные эпохи.
Пока на земле есть избыток топлива — в виде деревьев и запасов угля и нефти, — вряд ли много изменит условия жизни человечества даже решение задачи о непосредственном получении работы за счет химической энергии — задачи, так удачно, по-видимому, решаемой живыми организмами и почти не имеющей подхода к ней в физике и химии. Но, если ускорение потребления топлива будет таким же и впредь, как это имеет место последние десятилетия, то лет через 200—300, как показывает диаграмма № 1, запас каменного угля будет почти исчерпан,— и каменноугольный период жизни человечества с каменноугольными копями, с покрытыми угольною пылью углекопами и кочегарами, с коптящими небо трубами паровозов, пароходов и фабрик, с закопченными машинистами канет в вечность, и должен будет смениться лучисто-солнечным периодом в жизни человечества, периодом, когда человечество будет непосредственно утилизировать лучистую энергию солнца.
Вряд ли значительно задержит наступление этой перемены в обиходе человечества и все развивающееся потребление белого угля, потому что, если бы даже вся энергия падающей с неба на все материки воды могла бы быть использована, то человечество имело бы в распоряжении каких нибудь 20 миллиардов лошадиных силъ; на самом же деле вряд ли можно будет располагать даже 1—2 миллиардами лошадиных сил, что даже для современного населения земного шара — около 2 миллиардов — составляет от ½ до 1 лошадиной силы на человека и при дальнейшем возрастании численности людей эта максимальная доля белой энергии будет еще меньше. Между тем на одно поддержание жизни и работы человеку нужно в виде пищи около ¾ лошадиной силы. Уже теперь в добавок к этому получается от каменного угля энергия в среднем на всякого обитателя земного шара, в переводе в механические единицы, около ½ лошадиной силы, а, например, в Соединенных Штатах на человека приходится около 4 лош. сил, а в Англии — около 3 лош. сил. Укажу кстати, что при помощи растений как искусственно посеянных или посаженных, так и появившихся без участия воли человека, земной шар поглощает около 30 миллиардов лошадиных сил, т.-е. сил по 15 на каждого своего нынешнего обитателя. Лет через 200 все эти соотношения, изображенные на диаграмме № 2, вероятно значительно изменятся. И в этом важнейшем вопросе — вопросе о непосредственной утилизации солнечной энергии, которой растения теперь перехватывают около одной семитысячной доли (см. диаграмму № 3) — физика тоже не отстанет от требований практической жизни, как показывают, например, солнечные силовые станции Шумана.
Диаграмма 2.
От этих пока не требующих настоятельного решения задач,— задач, относящихся к общим условиям существования и жизни человечества, как целого, в его жилище — на поверхности земного шара,— перейду теперь к тем не разрешенным или недостаточно хорошо решенным задачам практической физики, которые относятся к увеличению удобств этой жизни, к борьбе с пространством и временем, к возможности сохранять, восстановлять, передавать действие того или иного физическаго деятеля.
Диаграмма 3.
Из задач, которые современная культура считает достаточно хорошо решенными практически, но которые физика могла бы и может в случае нужды решить гораздо лучше, меня особенно занимал вопрос о сохранении тепла. В этом вопросе мы очень недалеко ушли от звериных шкур и землянок первобытного человека. Мы точно также продолжаем задерживать усиленную потерю тепла нашим телом, когда оно окружено атмосферою, при помощи закутывания его в несколько слоев тех или других тканей по мере увеличения разности температуры нашего тела и окружающей среды. Мы точно также продолжаем жить в чрезвычайно пористых сосудах для тепла — наших жилищах,— лишь усовершенствовав способы накачивания в эти сосуды тепла и перераспределение его в них. Между тем было бы, конечно, рациональнее задерживать потерю тепла телом человека, не предоставляя это тело самому себе, а окружая его непосредственно каким-нибудь источником тепла, — например, вплетая в нити тканей одежды тонкие металлические проволоки и пропуская по ним электрический ток. Я не раз в минуты отдыха от научной и педагогической работы мечтал и даже делал примерные расчеты такой электрической одежды, которая, будучи „теплою“ и легкою одновременно, могла бы иметь большое значение для матросов, при полярных путешествиях, при всех работах на морозе и, наконец, могла бы почти исключить отопление жилищ, которые являлись бы лишь защитою от ветра и непогоды, но не от холода, и в которых человек находился бы как бы на чистом воздухе. Не без грусти, с одной стороны, и с чувством удовлетворения, с другой, я узнал несколько лет назад, что такая „термоткань“, уже запатентована другими и находит себе все большее и большее применение. Мечтал я и делал теоретические расчеты — и продолжаю мечтать и делать расчеты — о зданиях, сложенных на железной основе из сверх-пустотелых кирпичей, почти лишенных теплопроводности,— из стеклянных полых прямоугольных параллелепипедов, из которых выкачан воздух, как в сосудах Дьюара, — о светлых, прозрачных, легких зданиях, которые не пришлось бы отапливать, а только вентилировать, о зданиях в которых солнечный свет (особенно, если стекло будет сорта, пропускающего ультрафиолетовые лучи) не будет давать жить зловредным микробам. В настоящее время, пока топливо дешево, и термоткань и даже мечты о зданиях типа Дьюара — роскошь, и, вероятно, все это и останется роскошью, так как на смену ныне дешевого топлива придет дешевая тепловая энергия, полученная от лучистой энергии солнца.
Правда, в вопросе о том, что — роскошь, что — необходимость, трудно что-либо предсказывать. Не желающие отставать в непрерывном Марафонском беге народов должны считать для себя необходимостью то, что какой-либо передовой народ завел себе, как роскошь. Железные дороги, электромагнитный телеграф, электрическое освещение, телефон, граммофоны, кинематограф, телеграф без проводов, подводные лодки, авиация давно ли были безумною роскошью, а не стало ли это все безусловною необходимостью в каждой культурной стране? Может быть, нашим внукам, или даже детям будут казаться наивными игрушками наши одноцветные фотографии, наш не стереоскопичный и не сопровождаемый звуками кинематограф, наши разговоры по телефону, сопровождаемые обильною придачею посторонних звуков, но не сопровождаемые видением нами лица, с которым мы говорим, наше пользование передачею подписей, рисунков, изображений по проводам на большие расстояния лишь в исключительных случаях,— как нам кажутся наивными догеротипы наших дедов, просиживавших по 20 — 30 минут пред аппаратом, их стробоскопы, недавние хриплые граммофоны. Мечты о стереокинематографии в натуральных цветах и о видении на расстоянии — пока роскошь, но роскошь, к которой физика проложила уже, если не широкиий путь, то узкую тропинку, как показывают опыты с „электрическим глазом“ Бориса Львовича Розинга (С.-Петербург) и все ускоряющаяся и ускоряющаяся передача Эдуардом Беленом (Париж) изображений на расстояние.
Крупным очередным вопросом представляется мне задача о передаче энергии без проводов — передаче, конечно, „направленной“ передаче определенному приемнику. Эта задача пока лишь намечается в виде передачи тех минимальных доз энергии, какие улавливаются при беспроволочной телеграфии, но разве физики моего поколения не помнят того ошеломляющего впечатления, которое произвели на нас известия о том, что резонатор в опытах Герца отзывался на искру осцилятора на таком гигантском расстоянии, как 2 — 3 десятка метров? С тех пор так прочно усвоили себе Горациевское „nil admirari“, что, когда мы получим известие о том, что один и тот же сигнал с центральной станции беспроволочного телеграфа принят на всех соответствующих чувствительности станциях земного шара, включая станцию у антиподов этой центральной станции, мы отнесемся к этому, как к должному и вполне ожиданному событию. Точно также мы будем сравнительно спокойно ждать от физики, что она даст возможность передать на десятки, сотни, а может, тысячи километров, не какие-нибудь доли эрга энергии, а десятки, сотни и тысячи лошадиных сил.
Обдумывая для своей вступительной лекции все подобные недостаточно хорошо разрешаемые или недостаточно хорошо разрешенные задачи практической физики, я обратил особое внимание на задачу передвижения вещественных тел, задачу, для которой мне за год до этого пришло в голову новое решение, — на задачу, над усовершенствованием решения которой непрерывно трудится целый ряд деятелей теоретической и практической физики, идя к этому усовершенствованию различными путями. Паровозы и электровозы, электрические железные дороги, автомобили, аэросани, пароходы, теплоходы, гидропланы, самодвижущиеся мины; аэропланы, дирижабли; различные системы огнестрельного оружия и дальнобойных орудий — энергично конкурируют друг с другом на поприще ускорения передвижения вещественных тел.
Если взглянуть на вопрос о движении вещественных тел, находящихся на земной поверхности, с чисто физической точки зрения, то надо отделить движение газообразных и жидких тел от движения твердых тел. Газы и жидкости должны быть передаваемы в твердых оболочках, так что передается все-таки твердое тело, хотя и с газообразным или жидким содержанием. На сравнительно неболшие расстояния (километры для газов, до нескольких десятков километров для жидкостей) газы и жидкости передаются также по трубкам, а жидкости — и по каналам. Если исключить из рассмотрения эти случаи, то основною задачею является передача из одного места поверхности земного шара в другие твердаго тела. Все же твердые тела тяжелее воздуха, а многие — тяжелее воды, а потому прежде всего надо обратить внимание на действие силы тяжести.
Если твердое тело находится на твердой поверхности земли, то сила тяжести прижимает его к этой поверхности и вызывает силу трения, тем большую, чем больше вес тела. Если нет такой твердой поддержки, то твердое тело стремится опуститься вниз, до „дна“ газообразной атмосферы земного шара, если оно находится в воздухе, до „дна“ жидкой оболочки земного шара, если оно находится на воде или внутри нее и при том тяжелее воды, взятой в его объеме. Последняя оговорка указывает на то средство борьбы с силою тяжести, какое почти исключительно применялось до XX века. Это средство — вооружение против силы тяжести ее самой: ее самое заставляли аэростатическим или гидростатическим давлением, оказываемым ею на погруженное в воздух или в воду (частью или полностью) тело, уравновешивать вес этого тела. Для этого приходилось делать всю поверхность тела или значительную ее часть газо или водо-непроницаемою и увеличивать объем тела, заполняя пространство между стенками более легкими, чем воздух или вода, материалами. Но в последние 10—20 лет стали бороться с силою тяжести силою инерции, стали пользоваться не только третьим законом движения „украшения рода человеческаго“, бессмертного Ньютона, „actioni semper aequalem esse et contrariam reactionem“ (действию всегда равно и протпвоположно противодействие), но и первыми двумя его законами. Первый гласит: „Corpus omne perseverare in statu suo quiescendi и т. д. (Каждое тело упорствует в своем состоянии покоя); второй гласит: „Mutatinem motus proportionalem esse vi motrici impressae et fieri secundum lineam rectam qua vis illa inprimitur“ („изменение движения пропорционально движущей силе происходит по прямой, по которой эта сила прилагается“). Поэтому, чтобы сдвинуть с места некоторую покоющуюся часть воздуха или воды, нужно приложить к ней силу, направленную в сторону намеченного движения,— и, по третьему закону Ньютона, тому, что прилагает эту силу, придется испытать со стороны приводимого в движение воздуха или воды силу — силу инерции, направленную в противоположную сторону, т.-е. в сторону, противоположную намеченному движению. Если твердое тело движется горизонтально по воздуху или по воде, то оно должно испытывать со стороны воздуха или воды силу сопротивления, направленную тоже горизонтально в направлении, прямо противоположном направлению движения твердого тела. Если это тело подставляет воздуху или воде не вертикальную поверхность, а поверхность, отогнутую от вертикали в сторону движения в верхней своей части, то на эту поверхность,— а чрез ее посредство на все движущееся тело — действует составляющая силы инерции воздуха или воды, направленная вверх. Эта составляющая тем успешнее борется с силою тяжести, чем больше ускорение, сообщаемое движущимся телом попадающимся ему на пути частицам воздуха или воды, — другими словами, чем больше скорость этого движущегося тела. Движение по воздуху тел тяжелее воздуха — аэропланов,— движение по поверхности воды тел, тяжелее воды — гидропланов — основано именно на этом искусном пользовании силою инерции, представляющем как бы воплощение принципа „в борьбе обретешь ты силу свою“.
С силою тяжести борятся в тех случаях, когда хотят обеспечить долговременное и сколь угодно долгое движение по горизонтальному или мало отклоняющемуся от горизонтального направлению, когда хотят сохранить и величину и направление скорости движущегося тела. Если же важен лишь самый факт возможо быстрой однократной передачи вещественного тела из одного места в другое, то обыкновенно любезно предоставляют силе тяжести делать свое дело — заставлять тело равномерно ускоренно приближаться к земной поверхности, но стараются не дать ей времени на это ее пагубное дело, возможно увеличивая составляющую скорости движения тела по горизонтальному направлению. В самом деле, движущееся в некоторый момент со скоростью v по горизонтальному направлению тяжелое твердое тело отклоняется мало по малу от этого направления, и постоянная быстрота возростания тангенса угла наклона его траэктории к горизонту обратно пропорциональна скорости v (а именно равна v/g, где g—ускорение силы тяжести). Поэтому и стремятся, так сказать, не дать опомниться движущемуся телу или, скорее, не дать опомниться действующей на него силе тяжести, не дать ей времени подействовать.
Для этого первобытный человек напрягал все силы своих мускулов, чтобы придать возможно большую скорость камню, брошенному им или непосредственно рукою, или посредством лука или пращи, а современное человечество изобретает освобождающиевсе большие и большие количества энергии при том же объеме взрывчатые вещества и, удлинняя дула орудий, заставляет получающиеся сильно сжатые и раскаленные газы действовать на все большем и большем протяжении на выбрасываемый ими снаряд. При этом способ передвижения вещественных тел довольствуется теми громадными начальными скоростями, которые им придают,— скоростями, приближающимися у больших орудий почти к 2 километрам в секунду. Еслиб такая скорость могла сохраняться в течение одной минуты, то пройденный путь превысил бы сотню километров, но за минуту сила тяжести понизила бы траекторию такого движущегося тела километров на 17. На самом же деле расстояние, на какое бьют такие орудия, не превышает 40—50 километров,— и одна из причин этого есть довольно быстрое убывание первоначально приданной снаряду скорости вследствие значительного сопротивления воздуха — значительной силы инерции расталкиваемых снарядом частиц воздуха, которую снаряду приходится преодолевать.
С этою же силою инерции среды, в которой движется твердое тело, приходиться считаться и при всяком быстром движении по твердой поверхности земли, но еще более — при движении по воде или в воде и при движении в воздухе. Поэтому, если хотят сохранят скорость движения постоянною, то должны производить постоянную трату энергии на преодоление этой силы „сопротивления среды“, к которой — при движении по твердой поверхности земли — присоединяется сила трения о путь. Не буду даже упоминать о тех ухищрениях и изощрениях человеческой изобретательности, которые направлены к возможному увеличению быстроты этой траты энергии и к трате ее с возможно большим увеличением получающейся при этом скорости движущегося поезда, автомобиля, корабля, дирижабля, аэроплана и т. п. Скажу лишь, что рекордные скорости наиболее быстрых из таких способов непрерывного сообщения, а не однократного перемещения, лежат пока вблизи 200 километров в час, т.-е. около 3 километров в минуту или всего 50 метров в секунду, что во много раз меньше скоростей даже пули из винтовки.
Чтобы исчерпать вопрос этот с общих физических точек зрения, остановлюсь еще на точках опоры, к которым приходится прилагать силу в указанных случаях непрерывного движения, так как преодолеваемыя силы — сила сопротивления среды и сила внешнего трения (при движении по твердым телам) — являются силами, так сказать, отрицательного характера, возникают при движении твердого тела и являются приложенными к нему же.
При всех перечисленных способах сообщения точку опоры получают, прибегая к той же силе, которую преодолевают. При движении по твердому телу прибегают к той же силе трения, ибо обращение, например, к силе упругости, сказавшееся в устройстве зубчатых колес и зубчатых рельс при первых опытах применения паровых железных дорог, отошло, вообще говоря, в область преданий, оставшись (как и тяга стальными канатами и т. п.) почти лишь в случае крутых подъемов; теперь же колеса заставляют катиться по рельсам, пользуясь тою же силою трения, которая не должна быть при этом настолько мала, чтобы колеса скользили по рельсам. Точно также при движении по воде или внутри воды или воздуха, чтобы преодолевать силу инерции встречных частей среды, отбрасывают назад со значительно большей скоростью — при помощи лопастей весел, лопаток колес пароходов, посредством различных гребных винтов и т. п. — частицы той же среды и заставляют силу инерции этих отбрасываемых назад частиц толкать вперед движущееся тело,— и в этих отбрасываемых назад и постоянно сменяющихся массах находят точку опоры. Наличность повсюду в среде этих точек опоры дает возможность перемещаться в любом направлении и придает значительно большую свободу передвижению по воде и особенно по воздуху, чем по твердой оболочке земного шара.
Но принцип „чем ушибся, тем и лечись“, „similia similibus curantur“, как в житейском обиходе, так и в медицине далеко не всеми признается идеальным,— и почти исключительное пользование этим принципом в вопросе о возможно более быстрой передаче твердых тел — животрепещущем вопросе для современных людей, торопящихся возможно полнее использовать свое кратковременное существование на земном шаре,— бросалось мне в глаза, когда я обдумывал, что дала физика человечеству и что еще может и должна дать. Мне тогда же представилось возможным совершенно иное решение того же вопроса,— и результаты своих посильных теоретических и экспериментальных попыток в этом направлении я и позволю себе изложить здесь.
Меня поразила заброшенность второй части первого закона Ньютона „Corpus omne perseverare in statu suo quiescendi vel movendi uniformiter in directum, nisi quatenus illud a viribus impressis cogitur statum suum mutare.“ (каждое тело упорствует в своем состоянии покоя или равномерного прямолинейного движения пока приложенными к нему силами оно не будет принуждено изменить свое состояние),— поразило отсутствие попыток использовать это упорство в сохранении постоянства величин и направления скорости движущегося поступательно тела (упорство в сохранении угловой скорости у вращающагося тела находит все большее и большее применение). Чтобы использовать это упорство у движущегося поступательно тела, надо поставить движущееся тело в такие условия, чтобы оно вовсе не встречало сопротивления, чтобы было немыслимо, что „illud a viribus impressis cogitur statum suum mutare“, что „оно приложенными к нему силами принуждается изменить свое состояние“. Для этого надо поступить радикально: избавиться от этих сил — силы сопротивления среды и силы внешнего трения о путь. (Силу „внутреннего трения“ друг о друга слоев среды, движущихся с различной скоростью, можно, хотя это по существу дела и неправильно, приключить к силе сопротивления среды).
Силы внешнего трения почти нет при движении твердого тела по воде и воздуху, силы сопротивления нет при движении твердого тела в пустоте или почти нет — в весьма разреженном воздухе, как это имеет место, напр., при пневматической почте, но при движении по воде и воздуху неизбежно сопротивление среды, ибо иначе нет и точек опоры. Поэтому воду и воздух надо отбросить, если мы ищем идеальный путь. При движении же в трубе с пустотою неизбежно, повидимому, трение о дно трубы, так как ничто не уравновешивает там силы тяжести. Но последняя неизбежность — лишь кажущаяся, потому что с силою тяжести можно успешно бороться не только при помощи нее самой, как в обычных кораблях и в воздушных кораблях, не только при помощи силы инерции, как в аэропланах. Силе тяжести весьма успешно могут противостоять, ее весьма успешно могут преодолевать, например, силы магнитные и электромагнитные.
Возьмем, например, стеклянную трубку с железным шариком и будем водить над ней магнитом. Железный шарик будет кататься по полу трубки, но с меньшим давлением на ее нижнюю часть, а, следовательно и с меньшим трением об нее. Приблизим магнит еще более,— и шарик будет теперь двигаться по потолку этой трубки. Правда мы мало выиграли бы таким способом, потому что трение об пол мы заменили трением о потолок. Возьмем теперь большую катушку изолированной медной проволоки поставим ее вертикально поместим под нею этот железный стержень, вводя его верхушку внутрь катушки. Пропустим чрез эту катушку, чрез этот соленоид постоянный электрический ток от станции,— и стержень энергично втягивается внутрь него, и, совершив несколько колебаний вверх и вниз, повисает внутрн него на невидимых силовых магнитных линиях, как виснт, по верованиям магометан, в Мекке гроб Пророка.
Этот опыт и навел меня на мысль об идеальном „безвоздушном электрическом пути“, по своему принципу совершенно отличном от обычных способов сообщения. Пустим тело железное или с железными стенками — в горизонтальном направлении в горизонтальной трубе из которой выкачан воздух и в которой таким образом уничтожено сопротивление среды. А чтобы не было трения о дно, будем поддерживать это летящее в этой пустоте тело при помощи магнитов, электромагнитов или соленоидов с током, подрегулированных так, чтобы этот заколдованный вагон не касался дна и не подтягивался к самому потолку,— и тогда вагону не придется преодолевать какие-либо силы, и он будет продолжать бесконечно свое движение, не изменяя ни величины, ни направления своей скорости.
Нет воздуха — нет сопротивления среды, нет касания ко дну или потолку трубы — нет внешнего трения, нейтрализована снла тяжести,— и раз получившее скорость тело мчится дальше с этою скоростью, не меняя ее. И нет теоретически пределов скорости — если исключить из рассмотрения электромагнитную инерцию, которая полагает предел достижимым скоростям движения вещественных тел, равный скорости света, а в нашем случае вызывает индукционные токи Фуко, задерживающее влияние которых может быть сделано практически сколь угодно малым соответственным разделением металлических масс,— нет пределов достижимых скоростей, и не надо никакой энергии, чтобы поддерживать скорость постоянною.
Вот та простая мысль, которая лежит в основе моих попыток, мысль, которая приводит к своего рода perpetuum mobile, но к так называемому perpetuum mobile второго рода. Это не противоречащий закону сохранения энергии вечный двигатель, совершающий работу без сообщения ему энергии, а находящееся в полном согласии с первым законом Ньютона вечно движущееся тело, примеров которым мы видим сколько угодно в солнечной и других звездных системах. При осуществлении такого безвоздушного электрического пути к существующим трем способам передвижения — по земле, по воде, по воздуху,— прибавился бы четвертый, по наиболее идеальной среде,— эфиру.
Для того, чтобы предлагаемый мною принцип стал понятнее, перейду без дальнейших околичностей к описанию той формы, в какой мне на основании различных соображений и рассчетов и некоторых лабораторных изысканий рисуется возможное практическое его приложение.
Рис. 4. Часть трубы.
Самый путь — металлическая труба, из отдельных звеньев (рис. 4), герметически соединенных друг с другом гармоникообразными соединениями (вроде тех, какие применяются в гибких паровых котлах), которые позволяли бы звеньям трубы изменять свою длину при изменении внешней температуры. Диаметр трубы, если бы безвоздушный электрический путь предназначался для перевозки не только грузов, но и людей, должен заметно превышать диаметр человеческого тела, и должен быть не менее сантиметров 90. На известных расстояниях должны быть соединения этой трубы с насосами, которые поддерживали бы внутри нее достаточное разрежение, так как герметичность не может быть вполне совершенною. Точно также на известных интервалах — в 1—2 км. — труба должна быть снабжена боковыми камерами с заслонами, при перемещении которых внутрь трубы соответственная часть ее могла бы быть герметическн отделена от остальной. Такое отделение необходимо в случае ремонта, остановки вагона и т. п.
Рис. 5. Колеса вагона.
Вагоны для безвоздушного электрического пути — тела вращения (например, цилиидры с коническими концами) с железными стенками, более толстыми сверху и с боков, чем снизу. Вагон имеет сверху или сбоку дверцу, которая может быть тоже закрыта герметически. Для перевозки людей вагон должен иметь соответствующие приспособления, как-то: мягкие тюфяки, электрические лампочки с аккумуляторами для них, снаряды для поглощения углекислоты, запас кислорода. Для периодов, когда вагон находится в покое, а также на случай слишком большого приближения к верхней или нижней
Рис. 6. Нормальные поддерживающие электромагниты.
части трубы вагон снабжается колесами, обод которых несколько выдается над и под вагоном, если смотреть на вагон спереди (рис. 5а). Подшипники (шариковые)—на рессорах (рис. 5б) для уменьшения резкости толчка при прикосновении колес к верхней или нижней части трубы.
Чтобы движение совершалось без касания ко дну, над трубою помещаются электромагниты (рис. 6), поддерживающие на горизонтальных и прямых частях пути, о которых я буду пока говорить, вагон на той же средней высоте над горизонтом. Расстояние a между серединами двух последовательных электромагнитов должно превышать расстояние b между полюсами электромагнита во столько раз, во сколько раз средняя при различном относительном положении полюсов A, D электромагнита и верхней части вагона — сила притяжения F между полюсами и вагоном превышает вес P вагона. Траектория центра инерции вагона представляет собою волнистую линию, высота гребней и глубина долин которой будет тем меньше, чем больше скорость вагона (около 1 стм. при той скорости в 220 метров в секунду = 800 километров в час, для какой я вел расчет). Любопытно, что равенство высоты гребня и глубины долины обусловливается лишь наличностью отношения
a : b = F : P
и не зависит от скорости v вагона. Чем больше эта скорость v, тем меньше то падение центра инерции по вертикали, какую получил бы он, проходя свободно расстояние a, но за то тем меньше и скорость, какую приобретает он в вертикальном направлении вверх под влиянием силы притяжения одного электромагнита, пробегая под ним. В самом деле, чем больше скорость v, тем меньше времени прохождения вагоном расстояния между электромагнитами, но тем меньше и время пребывания вагона под полюсами электромагнита, и оба
эти промежутка времени изменяются одинако при изменении скорости v.
Тем не менее чрезвычайно важно постоянство скорости v, так как при различии ее у различных вагонов могут на длинном пути произойти такие изменения расстояний между последовательными отдельными вагонами, какие приведут к столкновениям.
Поддерживающие электромагниты должны включаться в цепь лишь при приближении к ним вагона и лишь на то чрезвычайно малое время — долю секунды, какое вагон пролетает мимо них. Благодаря этому даже при большой частоте следования вагонов друг за другом (я вел рассчет на 12 вагонов в минуту, что соответствует расстоянию между ними в пути в 1 километр) ток проходил бы по обмотке электромагннтов незначительную долю всего времени, и обмотка может быть сделана из сравнительно малого числа витков проволоки и пропускать ток плотности, совершенно недопустимой при обычных условиях.
Но даже на идеально прямой и горизонтальной части пути невозможно сохранение постоянства среднего направления скорости центра инерции вагона, потому, что сила притяжения электромагнитом якоря изменяется с изменением расстояния r между ними (при значительных r — от 1 до 8% расстояния b между полюсами — приблизительно обратно пропорционально корню квадратному из r, как показали наши лабораторные опыты). Вследствие этого малейшее отклонение вверх или вниз от той траектории, которая соответствует условию (1), будет наростать по мере прохождения под следующими электромагнитами, и вагон постепенно станет задевать своими колесами верхнюю или нижнюю поверхность трубы.
Для устранения подобной возможности, которая привела бы к остановке движения и закупорке пути, и для достижения того, чтобы вагон имел лишь поступательное движение вдоль горнзонтальной оси трубы, необходимо принять меры к устранению следующих нежелательных движений вагона:
- . поступательных движений в горизонтальной плоскости, но перпендикулярных к оси трубы;
- . поступательных движений в вертикальной плоскости;
- . вращательных движений вокруг вертикальной оси, проходящей чрез центр инерции вагона;
- . вращательных движений вокруг горизонтальной оси, проходящей через центр инерции вагона и перпендикулярной к его длине.
Что касается до вращательных движений вокруг продольной оси, то они будут уничтожаться сами собою тем, что центр инерции будет расположен ниже горизонтальной плоскости, проходящей чрез геометрнческую ось вагона, а сила подтягивающих магнитов будет действовать на верхнюю часть вагона.
По отношению ко всем перечисленным явлениям вагон безвоздушного электрического пути представляет собою, с механической точки зрения свободное тело — и каждое из таких движений, начавшись продолжается дальше с неизменною линейною или угловою скоростью.
Рис. 7. Сигнальное приспособление.
Для устранения этих нежелательных скоростей нужны особые добавочные электромагниты, включаемые в цепь в случае наличности этих нежелательных движений, а потому необходимы такие снгнальные приспособления, которые как бы указывали этим добавочным электромагнитам на необходимость приступить к выполнению своих обязанностей или, проще говоря, включали бы их в цепь при обнаружении тех или других особенностей движения у летящего мимо этих сигнальных приспособлений вагона, не касаясь его и не задерживая таким образом его движения. Такое сигнальное приспособление должно чувствовать приближение к нему железной массы и замыкать ток в нужной нам цепи (например, в особом реле) когда эта масса приближается к нему на достаточно малое расстояние.
Таким сигнальным приспособлением мог бы, например, быть электромагнит типа, изображенного на рис. 7. Железные стержни Е и F окружены катушками АВ и CD), по которым идет ток, и имеют вблизи себя укрепленный на пружине NM кусок мягкого железа GH. Когда вблизи катушек АВ и CD оказывается железная стенка KL вагона, намагничение сердечников E и F увеличивается, притяжение между ними и якорем GH возрастает,— и пружина NM отгибается и, касаясь острия O, замыкает ток.
Трудно сказать, эта система или какая нибудь другая из придуманных и отчасти испробованных мною на лабораторном опыте систем подобных сигнальных приспособлений окажется наиболее подходящей при тех гигантских скоростях порядка 200 метров в секунду, какие желательно осуществить, но которые были недоступны при ограниченности условий лабораторных опытов, но во всяком случае несомненно эта задача вполне разрешима.
При помощи таких сигнальных приспособлений возможно исправлять обнаружившиеся нежелательные движения вагона.
Так, например, для уничтожения полученных поступательных, но перпендикулярных к оси трубы движений в горизонтальной плоскости можно поместить с боков трубы на равных —довольно больших — расстояниях по два добавочных электромагнита — A и C на рис. 8 изображающем кусок трубы в плане,— и кроме того по шесть сигнальных приспособлений — a, b, c и d с боков трубы и e и f — сверху. Эти приспособления соединены с соответствующими рубильниками для тока, идущего в электромагниты A и C так, чтобы:
Рис. 8 и 9. Рѳгулирующие боковые и верхние электромагниты.
1. при приближении вагона к a и b одновременно (положение вагона — KL отклонения от среднего положения сильно преувеличены) или при приближении к c и b одновременно положение MN) замыкается ток в электромагните C;
2. при приближении вагона к c и d одновременно или к a и d одновременно замыкается ток в электромагните A;
3. при приближении вагона к e размыкается ток в электромагните A, если он был замкнут от одновременного действия сигнальных приспособлений a и d, или в электромагните С, если ток был замкнут от одновременного действия сигнальных приспособлений c и b;
4. при приближении вагона к f размыкается ток в электромагните A, если он был замкнут от одновременного действия сигнальных приспособлений c и d, или в электромагните C, если ток был там замкнут от одновременного действия сигнальных приспособлений a и b.
Не останавливаясь на подробностях схемы соединений, осуществляющей эти требования, укажу лишь, что этим — при соответствующих расположениях и расстояниях сигнальных приспособлений — достигается то, что электромагнит A или электромагнит C действует оттягивающе на всем протяжении перемещения около него вагона в тех случаях, когда нужно уничтожить поступательное движение вагона к противоположной стенке, и что электромагнит A или электромагнит C действует преимущественно заворачивающе — до тех пор, пока, например, не поровняется с ним средина вагона,— в тех случаях, когда нужно уничтожить вращательное движение вагона вокруг вертикальной оси.
Для уничтожения поступательнаго движения вниз и вращательных движений в вертикальной плоскости между нормальными подтягивающими электромагнитами A, B (рис. 9, вертикальный разрез) помещаются на некоторых — тоже довольно больших — расстояниях регулирующие подтягивающие электромагниты C, каждый из которых окаймлен, например, 7 сигнальными приспособлениями: тремя — a, b, d на рис. 9 — снизу, двумя — c и e — сверху и двумя — f и g с одного из боков. Эти приспособления соединяются с соответствующими рубильниками так, что: 1) при приближении вагона к a и b одновременно — положение KL на рис. 9 — электромагнит С включается на все время прохождения вагона мимо него, т.-е. до воздействия вагона на приспособление g; 2) при приближении вагона к a и b одновременно — положение MN — электромагнит C действует в течение времени от этого момента до момента, когда центр инерции вагона подойдет под середину электромагнита C (для размыкания электромагнита C при этом служит приспособление f); 3) при приближении вагона к d и e одновременно — положение OP — электромагнит C включается от этого момента до прохождения вагона мимо него.
Этим достигается, что в случае излишнего понижения вагона электромагнит C подтягивает его дополнительно вверх, а в случае понижения или повышения носа вагона сравнительно с кормою подействует на него преимущественно выпрямляюще.
Для устранения же поступательного движения вагона вверх при излишнем приближенин его к верхней части трубы (положение RS на рнс. 9) он действует одновременно на снгнальные приспособления k и l. Эти приспособления исключают следующее очередное сигнальное приспособление m, служащее при обычных условиях для введения в цепь очередного нормального подтягивающего электромагнита C, который обычно выключается приспособлением n.
После этих примеров мне вряд ли нужно много распространяться о криволинейных и негоризонтальных частях безвоздушного электрического пути — о том, как этот вагон Жюль-Верновского или Уэльсовского типа, можно заставлять завернуть в том или другом направлении, подниматься вверх или опускаться вниз.
Рис. 10. Заворачивающие боковые электромагниты.
Для изменения направления вагона в горизонтальной плоскости электромагниты располагаются с одной стороны пути (рис. 10), причем расстояния электромагнитов друг от друга зависят от радиуса кривизны R заворота, а общее число их — от угла, на который должно измениться направление скорости после заворота, эти боковые электромагниты вводятся посредством соответствующих сигнальных приспособлении — в цепь поочередно и при том так, что действие каждого из них начинается тогда, когда нос вагона начинает подходить к нему, а прекращается несколько ранее того, как задняя часть вагона отоийдет от его середины,— чтобы кроме ускорения, сообщаемого притяжением этого электромагнита центру инерции вагона по направлению к центру кривизны, вагон получал и соответствующую угловую скорость вокруг вертикальной оси, проходящей через центр инерции.
Для того, чтобы придать траектории центра инерции вагона вогнутость в вертикальной плоскости по сравнению с горизонтальною линиею — части BC и HK на рис. 11 — над соответствующею частью
Рис. 11. Расположение поддерживающих электромагнитов на подъемах и спусках.
трубы подтягивающие вверх электромагниты располагаются значительно чаще, чем расположены над горизонтальными кусками пути — AB, EF, KL, электромагниты, регулирующие горизонтальность траектории вагона на этих кусках. Эти электромагниты вводятся также не на все время прохождения вагона под ними, чтобы вагон не только испытывал общий подъем, но и повернулся носом кверху на соответствующий угол.
Под частями — DF, FG — трубы, где траектория центра инерции вагона выпукла по сравнению с горизонтальною линией, подтягивающие электромагниты располагаются реже, чем над горизонтальными частями, и вводятся в цепь так, что действие каждого из них начинается несколько позднее того, как нос вагона подойдет к нему, а прекращается после того, как задняя часть вагона минует электромагнит, чем достигается и соответствующий поворот заднего конца оси вагона кверху в вертикальной плоскости.
Над наклонными частями пути, не имеющими кривизны в вертикальной плоскости — CD и GH на рис. 11,— роль подтягивающих электромагнитов сводится к уничтожению ускорения центра инерции в вертикальном направлении, и расстояние их друг от друга зависит от того, каков наклон данной части трубы и будут ли вагоны в ней двигаться вверх или вниз.
Так как центростремительное ускорение, которое должны сообщить центру инерции вагона заворачивающие его вбок или вверх электромагниты, равно v²/R, то успешное действие этих электромагнитов зависит в большей степени от одинаковой скорости каждого вагона, подходящего к электромагниту. Это еще раз подтверждает необходимость следить за постоянством скорости вагона, которая при наличности регулирующих электромагнитов, действующих в течение не всего времени прохождения мимо них вагона, может испытывать изменения хотя и очень небольшие.
Для возвращения величины скорости к ее нормальной величине могут служить большие соленоиды, включаемые в цепь на промежуток τ, близкий к времени прохождения вагоном пути, равного половине его длины. Такой соленоид SS
Рис. 12 —14. Норыальное, ускоряющее и задерживающее действие регулирующаго соленоида.
(рис. 12) включается сигнальными приспособлениями a через время τ, после прохождения носа вагона вблизи него, причем это время должно быть приблизительно на ½τ меньше того промежутка времени, в течение которого вагон, движущийся с нормальною скоростью, пройдет расстояние от сигнального приспособления a до соленоида SS. При этих условиях,— осуществимых посредством довольно простых механизмов, на устройстве которых я не буду останавливаться,— соленоид SS начинает действовать ускоряюще на вагон, движущийся с нормальною скоростью тогда, когда нос вагона уже войдет в соленоид — положение KL на рис. 12 — и прекратит действовать задерживающе тогда, когда задняя часть вагона начнет выходить нз соленоида — положение K'L',— и эти два симметричные действия противоположного характера не отразятся на величине скорости.
При скорости, меньшей нормальной, ускоряющее втягивание вагона соленоидом будет длиться дольше задерживающего: действие соленоида начнется тогда, когда вагон будет только подходить к соленоиду — положение MN на рис. 13, — а прекратится тогда, когда середина вагона будет близка к середине соленоида — положение M'N',— и в результате скорость вагона получит нужное приращение.
При скорости, большей нормальной, задерживающее втягивание соленоида начнется тогда, когда середина вагона уже минует середину соленоида — положение OP на рис. 14 — и кончится тогда, когда вагон выйдет из соленоида — положение O'P',— и скорость вагона соответствующе уменьшится.
Чем более отличается скорость вагона от нормальной, тем более отличаются случаи рис. 13 и 14 от случая рис. 12,— и тем значительнее вызываемые в скорости вагона соленоидом изменения.
Длинный ряд таких же втягивающих катушек, включающихся в цепь, когда нос вагона подходит к ним, и выключающихся из цепи, когда середина вагона проходит через середину соленоида, составляет собою главную часть станции отправления, напоминающую в этом отношении электрическую пушку Биркеланда,— но с тою разницею, что здесь будет выбрасываться не смертоносный снаряд, а вагон в несколько пудов весом, несущий человека, почту, груз внутри себя.
Рис. 15. Станция отправления.
Станция отправления (рис. 15) состоит из основной камеры II, соединенной с концом AA трубы и служащей для последовательного подведения вагонов к отверстию трубы. Конец трубы окружен рядом соленоидов S, S, S, …, в промежутках между которыми расположены подтягивающие вверх электромагниты E₁ E₂ E₃… Для увеличения быстроты подачи вагонов камера II соединяется — посредством раздвижных герметически закрывающихся перегородок aa, aa…, с несколькими боковыми камерами, II, III, IV, V… В основной камере II перемещаются по рельсам платформа BBBB, на которую из боковых камер могут вкатываться вагоны в направлении, перпендикулярном к рельсам в камере I.
Вагоны эти заранее нагружаются до определенного веса, причем грузы распределяются и закрепляются так, чтобы центр инерции приходился на середине вагона.
Когда какая нибудь камера,— например, камера II — заполнена вагонами, из нее выкачивается воздух, она приводится в сообщение с камерою II, — и вагоны передвигаются на платформу BB, а камера II опять разобщается с камерою II и начинает заполняться новыми готовыми к отправке вагонами.
При перемещении платформы в те моменты, когда какой нибудь вагон становится против отверстия трубы, он автоматиически замыкает ток в первом соленоиде S и втягивается в трубу.
Когда платформа BB, как обойма со снарядами для пулемета, очистится таким образом последовательно от всех вагонов и переместится в другой конец камеры II, эта камера приводится в сообщение с камерою IV или V, в которой уже приготовлены вагоны для отправки и из которой уже выкачан воздух,— и повторяется та же операция вкатывания вагонов на платформу BB и передвижения ее — на этот раз в обратном направлении — к отверстию трубы.
Устройство станций прибытия вполне аналогично устройству станций отправления, но сигнальные приспособления расположены так, чтобы каждый соленоид включался тогда, когда середина вагона пройдет середину его, а выключался после того, как конец вагона выйдет из соленонда.
Путь должен быть двутрубным, а станции,— по возможности, редкими, 500—1000 верст друг от друга, причем желательно, чтобы вагоны отправлялись от одной конечной до другой конечной станции. Если же необходимо иметь промежуточную станцию, то труба на некотором расстоянии в обе
Рис 16. Промежуточная станция.
стороны от нее разветвляется на две части — прямую AB и боковую CDEF (рис. 16). У заворотов C и D помещаются оттягивающие в бок электромагниты c, c, c… и d, d, d…, причем электромагниты c, c, c… приводятся в действие посредством соответствующей сигнализации со станции отправления тогда, когда к ним подходит вагон, направляемый на промежуточную станцию. Когда вагон входит в прямолинейную часть DE ответвления, начинают действовать задерживающие его движение соленоиды S, S…, и вагон останавливается
на платформе в основной камере II, откуда может быть переведен для разгрузки в боковые камеры — II или III.
Система втягивающих соленоидов T, T, T… и оттягивающих электромагнитов e, e, e… и f, f, f… служит для отправления вагонов с промежуточной станции в главную трубу.
Не стану распространяться о подобных же приспособлениях для задержки ряда вагонов в пути в случае катастрофы и т. п.
Лабораторные опыты, которые я производил последние 2—3 года, показали полную возможность разогнать, при помощи соленоидов со сравнительно небольшим числом витков и пользуясь довольно слабыми токами вагон (около 10 кгр. весом) внутри медной трубы диаметром 25 сант., подхватить его с полу электромагнитами во время движения и заставить двигаться далее, не касаясь стенок, а также сворачивать его с пути. Правда, опыты, эти пока, за недостатком средств, производились в воздухе, но при тех сравнительно небольших скоростях — порядка нескольких метров в секунду,— какие можно осуществлять при небольшом пространстве для разгона (около 1 метра), сопротивление воздуха значения не имеет.
Подтвердив правильность основной идеи и физическую возможность осуществления подобного движения, эти опыты вместе с другими опытами над притяжением электромагнитами на большом расстоянии и т. п. — доставили мне некоторые данные для суждения о практической осуществимости подобного безвоздушного электрического пути так сказать в натуральную величину, для расчета его стоимости.
Так как величина силы, потребная для сворачивания вагона с прямолинейного пути, равна mv²/R, где m — масса вагона, v — его скорость, а R — радиус кривизны, то ввиду ограниченности силы притяжения ряда электромагнитов даже при помещении их почти вплотную друг около друга скорость движения является функцией того предельного наименьшего радиуса кривизны, какой допускается при постройке пути в зависимости от топографических условий. Чем больше этот радиус, тем больше и нормальная скорость движения, хотя, конечно, не исключается возможность искусственного уменьшения скорости в особенно извилистых частях пути и восстановления нормальной ее величины по их миновании. Примем за найменьший радиус кривизны 750 м., и условимся не прибегать к токам колоссальной мощности так как дальнейшее увеличение их силы (сравнительно с теми, на которые мною произведены расчеты) мало отражается на притягательной силе электромагнитов, сердечники которых будут уже близки к насыщению. В таком случае, повидимому, можно придавать такую кривизну траектории вагона, движущегося со скоростью 220 метров в секунду, т.-е. 800 километров в час. При такой скорости при непрерывном движении можно перебросить груз из Петербурга во Владивосток в 11 часов или можно пообедать в Москве, приехать прослушать оперу или доклад в Петербург и вернуться к ужину в Москву.
Если считать быстроту подачи вагонов к отверстию трубы в 12 вагонов в минуту, что соответствует расстоянию их в трубе друг от друга на 1 километр, и считать, что на перемещение вагонов из боковых камер на платформу основной камеры и другие подобные операции будет уходить одна седьмая этого времени, то получим пропускную способность в каждую сторону в 15000 вагонов в сутки. Это при нагрузке в 150 кгр. дает около 140000 пудов в сутки в одном направлении. Что же касается перевозимых людей, то ясна тяжесть долговременного пребывания в лежачем положении в такой своего рода бомбе, герметически закрытой и мчащейся со скоростью 800 километров в час — скоростью, которая по принципу относительности будет незаметна для пассажира,— и потому при длинных переездах придется делать их в несколько приемов, что должно сократить провозоспособность такого безвоздушного электрического пути тысяч до 10 человек, т.-е. более одной бригады в сутки.
Укажу кстати, что трудно сказать с уверенностью, насколько переноснмо будет для организма человека приведение его в движение с такою скоростью, которое, если производить его даже с ускорением, равным численно ускорению свободного падения, потребует более трети минуты и станции отправления длиною в 2½ километра в сторону движения,— а также остановка его. Если бы такое ускорение оказалось губительным для человека (для чего нужны особые опыты), то придется растягивать станцию на большее расстояние. Среди же пути человек, находящийся внутри такой мчащейся в пустоте со скоростью 800 километров в час громадной сигары с железными стенками, не будет даже знать, стоит или висит он на месте, или же мчится по равнине, или перескакивает реку, или пробегает в несколько минут длиннейший туннель.
Так как лабораторные опыты являются далеко не достаточными, и окончательная поверка практической осуществимости моего проекта потребовала бы постройки пробной линии в 2—3 десятка километров, на что понадобился бы, пожалуй, десяток миллионов рублей, то очень трудно сказать с определенностью вероятную стоимость сооружения подобного пути. Произведенные мною рассчеты дают значение от 200 до 300 тысяч рублей на версту пути (двутрубного), стоимость пассажироверсты — от нескольких десятых копейки до копейки, а пудоверсты - от нескольких сотых копейки до десятой копейки — при непрерывной работе пути считая и амортизацию капитала, и ремонт пути, и содержание служащих (среди которых не будет, между прочим, „вагоновожатых“). Это вполне сравнимо с стоимостью перевозки в обыкновенных наших поездах, не говоря уже о скорых, тогда как даже скорость последних будет черепашьим шагом по сравнению со скоростью безвоздушного электрического пути.
Возможно однако значительное сокращение расходов на электрическое оборудование пути, если, например, в помощь электромагнитам над трубою поместить постоянные магниты и тем самым уменьшить общее число электромагнитов, требующих для своего питания токов большой электрической мощности. А это влечет уменьшние общего числа, как главных станций, которые вырабатывали бы мощные электрические переменные токи, так и ряда подстанций, которые обращали бы эти переменные токи в постоянные и по очередно питали бы ими электромагниты подведомственной им части пути.
Еще большее удешевление и более вероятная осуществимость электрического пути получается, если не стремиться к полному уничтожению сопротивления среды и трения и к полной сохранности величины скорости, а пойти на компромис — на то, что скорость не будет само собой сохраняться постояною и что это постоянство придется поддерживать некоторым сообщением энергии извне.
Это достижимо прежде всего устройством более простых, — а, следовательно, более дешевых и, может быть,- и безошибочно действующих — сигнальных приспособлений, основанных на принципе контакта, вызываемого прохождением мимо них вагонов. Еще более это достижимо при устройстве „подвесного электромагнитного пути“ в котором вагон катился бы по потолку, прижимаясь к нему очень небольшим избытком притяжения магнитами и электромагнитами над весом, или „облегченного электромагнитного пути“, в котором вагон катился бы по ровному полотну, но давил бы на него лишь малою долею своего веса, большая часть которого компенсировалась бы притяжением находящихся над путем магнитов и электромагнитов. Задержку от трения осей колес о подшипники и обода колес о потолок или полотно легко можно было бы компенсировать действием втягивающих соленоидов или самих электромагнитов, если выключать их несколько раньше, чем вагон пройдет мимо них. Такие ускоряющие действия могли бы производиться довольно редко, почти отсутствовать перед крутыми заворотами и на спусках, и наоборот быть чаще по выходе на почти прямые части пути и на подъемах.
При наличности такого касания вагона к потолку или полотну пути значительно упрощается и регулирование движения в вертикальной плоскости, так как расстояние вагона от поддерживающих электромагнитов и магнитов было бы почти постоянным.
С экономической точки зрения, может быть, было бы выгоднее даже не делать подобный путь и безвоздушным,— не устраивать дорогой и все-таки трудно выполнимой на практике безвоздушной трубы,— а производить движение, как и при других обычных способах сообщения, в воздухе. Тогда пассажиры могли бы хоть мельком видеть, где они мчатся, а убытки от катастроф были бы не так значительны, как в случае безвоздушного пути.
Интересуясь осуществимостью идеала — безвоздушного электрического пути — и будучи твердо убежден в том, что всемогущая современная техника, если практическая жизнь настоятельно поставит ей задачу осуществления безвоздушной трубы в тысячи километров длиною, с сотнями электромагнитов, десятками соленондов и тысячами сигнальных приспособлений и рубильников на каждую версту этой трубы, справится в конце концов с этою практическою задачею,— раз физически все это осуществимо,— я не производил пока ни подробного расчета сравнительно легко осуществимого компромисного способа сообщения — облегченного электромагнитного пути (к которому, как я узнал, подбираются уже практически в Америке), ни возможной стоимости его сооружения. Гадательно я определил бы в данное время стоимость в 150—220 тысяч рублей на версту,— и думаю, что, если безвоздушный электрический путь будет когда нибудь осуществлен, то лишь после предварительной поверки на опыте облегченного электромагнитного пути, в котором вместо чувствительных сигнальных приспособлений будут наверняка действующие контакты — контакты, оказывающиеся пригодными в течение достаточно долгих промежутков времени даже при электрических железных дорогах на свободном воздухе, тогда как здесь весь путь будет проложен в закрытом помещении — в своего рода трубе, хотя и не безвоздушной.
Рис. 17. Магнитные линии сил, втягивающие железное тело внутрь соленоида и как бы зацепившияся за его ветки.
Эфир остался бы и при подвесном электромагнитном пути, и при облегченном электромагнитном пути в качестве своего рода геометрического места точек опоры, ибо подтягивание вагона вперед или задержка его соленоидами происходили бы посредством магнитных силовых линий, натянутых в эфире, но как бы зацепившихся за витки соленоида (рис. 17). Источник движущей вагон энергии был бы вне вагона, как это имеет место и в электрических железных дорогах, но эта энергия передавалась бы вагонам не каким либо проводом, не посредством питания ею тяжелых электрических двигателей, а натяжением невидимых невещественных магнитных силовых линий. Такое же натяжение магнитных силовых линий в любом варьянте предполагаемаго мною электрического пути служит также для полного преодоления или значительного ослабления силы тяжести — проявления того таинственного тяготения, которое властным гнетом прижимает всех нас и все окружающие нас предметы к поверхности обиталища человечества — земного шара.
Ускорение сношений способствует упрочению связей людей друг с другом — и это ускорение особенно важно для больших континентальных стран, какою является, например, Россия. Для стран, у которых расстояние между границами равно нескольким сотням или тысячам с лишком километров, скорость в 800 километров в час не представляет особенно большого значения, так как сравнительно безразлично, переехать ли из одного места в другое в 2 или в 12 часов, ибо самые сборы и перемещение к месту отправления и от места прибытия займут тоже несколько часов — и процентный выигрыш времени невелик и явится, повидимому, большою роскошью. Но для стран, протяжением в несколько тысяч километров, возможность ускоренного в такой мере обмена товарами, скоропортящимися продуктами, документами, почтовыми посылками, людьми и т. д. может иметь очень большое значение, как в смысле все растущей спайки страны в одно прочное целое, так и в частных целях: торговопромышленной, административной, стратегической и т. п.
Если легкость — и дешевизна благодаря этому — сообщений по воде заставила с глубокой древности придавать громадное значение этому способу сообщения, если за последнее время стали упорно стремиться к завоеванию воздуха, то будем надеяться, что следующим — и, очевидно, последним — этапом в этом расширении доступных человечеству сред для передвижения по ним — будет эфир — тот самый эфир, который непосредственно — в беспроволочной телеграфии — или косвенно — при всяком электрическом токе — служит местом действия электрических и магнитных сил и тем самым обусловливает всевозможные применения человечеством самого покорного своего раба, „электричества“, — тот самый эфир, который мчит нам источник всей жизни на земле — лучистую энергию солнца. Мне хочется верить, что и в вопросе ускорения движения вещественных тел слово переходит теперь к эфиру, — и что в результате споров между землею, водою, воздухом и эфиром последнее слово и останется за эфиром.