Открытия и изобретения ХХ века. Энциклопедия

Но вернёмся к электромобилю. Аккумулятором энергии электромобиля является перезаряжаемый источник постоянного тока – кислотный свинцовый аккумулятор. Есть множество иных типов аккумуляторов, в частности, энергоёмкие и долговечные щелочные аккумуляторы. Но в начале века они были ещё не изобретены, да и потом, с их появлением, выяснилось, что у кислотного аккумулятора конкурентов нет. Свинцовый аккумулятор выдерживает очень большие токи нагрузки, легко обслуживается и, главное, очень дёшев в производстве и эксплуатации. Сразу оговоримся – дёшев в сравнении с другими типами аккумуляторов, с щелочными элементами. А сравнивать его с доступностью бензина просто невозможно, поскольку это затраты разного порядка, эксплуатация электромобиля оказывается гораздо дороже.

Как работает «аккумулятор» бензинового двигателя? Накопленная древними растениями солнечная энергия содержится в нефти в виде горючих углеродных соединений. Сгорая в двигателе, эта энергия высвобождается и превращается в механическое действие – в крутящий момент на валу двигателя и, в конечном итоге, во вращение колёс автомобиля. Так же работает «аккумулятор» парового двигателя, только здесь используется солнечная энергия, накопленная современными растениями (если используются дрова) или древних (если используется каменный уголь). В аккумуляторе электромобиля используется электрическая энергия, накопленная во время заряда. То есть мы не можем взять природные «энергетические консервы» в готовом виде, а должны сначала зарядить аккумулятор, подав на его выводы электрический ток. Следовательно, сам процесс «заправки» электромобиля значительно удлиняется – прежде чем подключить к аккумулятору электрический ток, нам придётся его, этот ток, каким-либо образом выработать (запустить электрогенератор с приводом от гидротурбины или от того же теплового двигателя). И это сильно влияет на стоимость эксплуатации автомобиля с электрическим приводом.

Далее – энергоёмкость только что рассмотренных аккумуляторов энергии очень сильно различается. Самым ёмким окажется жидкое топливо. Сжигая литр бензина, мы можем получить столько энергии, сколько даст свинцовый аккумулятор огромных размеров. Меньше энергоёмкость каменного угля и ещё меньше у древесины. Но это легко восполняемый ресурс – во всяком случае, в начале XX века, чего не скажешь об электроэнергии. Энергоёмкость определяет в конечном счёте мощность двигателя, скорость и дальность поездки на транспортном средстве. Даже сегодня, когда выпускаются очень ёмкие аккумуляторы, серийный легковой электромобиль (а таковые производятся) способен двигаться со скоростью в 50—70 километров в течение 2—3 часов. После этого электромобиль нуждается в многочасовой зарядке аккумуляторов. С бензиновым мотором даже сравнивать не хочется…

Но есть же у электромобиля и достоинства? Есть. Да ещё какие достоинства! Во-первых, абсолютная экологичность – электромобиль не выбрасывает в атмосферу вредных веществ. Во время активной разрядки из аккумулятора в небольших количествах выделяется только водород, который безвреден для окружающей среды. Но здесь не следует забывать об оборотной стороне дела – о работе электростанций, которые вырабатывают энергию, которой заряжается аккумулятор электромобиля. Если электростанция тепловая, то вредные выбросы всё равно имеют место. Но не такие токсичные, как у выхлопа автомобильного мотора (поскольку у стационарных электростанций есть целая система фильтров очистки отработавших газов). Затем – простота и надёжность конструкции. Электромобилю не нужна сложная многоступенчатая трансмиссия. Электромотор можно встроить в ступицу колеса и, таким образом, до предела упростить ходовую часть машины. Но и здесь есть свои «подводные камни». Полный электропривод всех четырёх колёс – это замечательно. Но электродвигатель не обладает гибкостью сблокированного с коробкой передач двигателя внутреннего сгорания. Рабочий диапазон оборотов ротора достаточно узок. Поэтому на троллейбусах, которые тоже относятся к электромобилям, устанавливают двухступенчатые коробки передач. А ещё мотор-колесо, так называется встроенный в колесо электродвигатель, сильно увеличивает неподрессоренную массу электромобиля, ухудшая работу подвески и ходовые характеристики транспортного средства. Наконец, аккумулятор электромобиля можно сделать сменным, заменяемым на «заправочных» (точнее – зарядных) станциях, упростив решение проблемы нехватки энергии для движения электромобиля. Но это, как раз, решение больше теоретическое, чем практическое. Нет таких станций. И, скорее всего, появятся они не скоро (если появятся вообще).

Существует и целый ряд второстепенных проблем, которые ан первый взгляд не видны. Например, электромобили хуже справляются с подъёмами, а плавность разгона оставляет желать лучшего. Салон электромобиля приходится отапливать ТЭНами – трубчатыми нагревательными элементами, а это дополнительный расход и без того дефицитной электроэнергии…

И всё же электромобили выпускаются и в очень больших количествах, которые, правда, трудно сравнить с количеством выпускаемых автомобилей. Электрокары и электропогрузчики, используемые в промышленности, строительстве и в складском деле – это электромобили. На электромобилях разъезжают туристы, осматривающие достопримечательности, и игроки в гольф. В начале нашего столетия в США начато производство электрического компьютеризированного самоката «Джинджер», которому прочили роль «транспорта будущего», но он им пока, по всей видимости, не стал… Наконец, мы каждый день входим в троллейбус, который пусть и частично, но можно отнести к электромобилям. Конечно, троллейбус привязан к токонесущим проводам – троллеям. Но если приглядеться, то можно легко различить «настоящие» троллейбусы и троллейбусы со вспомогательными дизельными двигателями. Там, где троллей нет, такой троллейбус передвигается, как обычный автобус.

Мы подошли к любопытной теме – к транспортным средствам с гибридными силовыми установками. Это изобретение не сегодняшнего и даже не вчерашнего дня. Огромные карьерные самосвалы – «Комацу» и «Белазы» – снабжены гибридными силовыми установками. Двигатель внутреннего сгорания (огромный, локомотивный!) вращает вал генератора, который вырабатывает электрический ток. А вместо механической трансмиссии здесь применяются мотор-колёса со встроенными электромоторами.

Кроме упомянутых «автобусов-троллейбусов», выпускаются и легковые автомобили с гибридными силовыми установками. Но устроены они иначе, чем карьерные самосвалы. В этих машинах обычный автомобильный двигатель приводит во вращения колёса через обычную автомобильную трансмиссию. Но в городе, там, где крайне необходимо сократить выбросы до минимума двигатель отключается и в работу вступает электродвигатель и кислотный свинцовый аккумулятор, а двигатель внутреннего сгорания останавливается. Разряженный аккумулятор заряжается от генератора – в то время, когда работает основной бензиновый мотор. Это одна из двух распространённых гибридных схем силовой установки. Вторая же схема устроена проще. Здесь двигатель внутреннего сгорания работает постоянно – он приводит во вращение генератор, который заряжает аккумулятор электромобиля. А колёса приводятся только электродвигателем. Смысл этой конструкции в том, что работающий на постоянных оборотах двигатель выбрасывает в атмосферу меньше вредных веществ, меньше потребляет горючего (поскольку не работает с ускорениями и торможениями) и, между прочим, меньше шумит. Подобные легковые автомобили выпускаются небольшими сериями, а потому достаточно дороги (один из производителей – Toyota). Говорят, за этими машинами будущее.

А что же «чистые» электромобили? Разработки электромобилей будущего не сходят с кульманов конструкторов. Но проблема в том, что электромобилю нужен принципиально иной источник энергии – не свинцовый (и даже не щелочной) аккумулятор, у которого слишком много недостатков (и ничтожный кпд – коэффициент полезного действия), а – топливный элемент. В этих источниках тока в качестве «топлива» используется вода (как источник водорода). Водород вступает в химическую реакцию с материалом электродов, и топливный элемент вырабатывает электроэнергию, которая и используется для привода электромоторов.

На какой стадии находятся разработки? Вот одно из недавних сообщений. Компания Toshiba обещает в скором времени выпустить серийные ноутбуки, у которых в качестве источника питания будет применяться топливные элементы. Значит, ждать осталось недолго. Сначала портативный компьютер, затем – электромобиль…

Глава 10

Кинематограф – первые шаги

Перед самым новым 1896 годом, а именно – 28 декабря 1895 года, в подвале парижского «Гран-кафе» на улице «Бульвар-де-Капюсин» (эта улица была названа в честь женского монашеского ордена, поэтому и само название переводится, как «Бульвар капуцинок») состоялся первый в истории киносеанс. Братья Люмьер – Огюст и Луи – показывали документальную ленту (других поначалу и быть не могло) под названием «Прибытие поезда на вокзал Ла Сьота». В течение нескольких минут на белом экране первые зрители увидели паровоз, надвигающийся на зал. Впечатление было ошеломляющим. Зрители в ужасе вскакивали с мест. А молва о небывалом зрелище моментально облетела весь Париж. Всего два года понадобилось братьям для того, чтобы отснять 1800 фильмов. Впрочем, на этом их кинематографическая карьера и закончилась. Ещё в 1989 году Люмьеры объявили, что уходят из кинематографии. Они быстро поняли, что открыв людям новый вид искусства (а кино далеко не сразу было признано именно как искусство, долгое время оставаясь дешёвым балаганным трюком), им придётся уступить место профессионалам – театральным актерам и режиссёрам. Но начало было положено. Всё последующее столетие прошло под знаком бурного развития кинематографии.

Можно было бы сказать, что кино развивается и занимает умы миллиардов людей нашей планеты и сегодня. Но с точки зрения технологии кинопроизводства (а нас интересует именно техническая сторона) это не так. Стремительно уходит киноплёнка. Нет на съёмочных площадках «классических» киносъёмочных аппаратов. Процесс съёмки, производства и тиражирования фильмов, техника показа – значительная часть этих технологий уже достаточно давно перешла на новый уровень. В мире кино воцарилась «цифра» – компьютеры, цифровые носители, цифровые камордеры (это сложное слово от «камера» и «рекордер» – получается «камкордер», видеокамера). Более того, компьютерная, телевизионная, звукозаписывающая и кинотехника сливаются воедино в симбиоз универсальных мультимедийных технологий. И сегодня мы стали свидетелями, что кино доступно каждому – в виде диска DVD, на экране домашнего телевизора и даже на дисплее сотового телефона. Как это и должно было произойти, технологии отошли на задний план, а первоочередное значение заняли проблемы творческие. Когда мы садимся смотреть диск DVD с новым фильмом, нас меньше всего интересует, как и на чём это снято. И смотрим мы не движущиеся картинки, а игру актёров, работу режиссёра-постановщика и всей огромной творческой группы, работавшей над фильмом – звукорежиссёра, художников, каскадёров…

Но значение изобретения Люмьеров невозможно переоценить. К слову – здесь снова сложилась ситуация, при которой изобретателями кинематографа стали сразу множество талантливым умов, да ещё и в разных странах. К примеру, Томас Эдисон тоже предложил свою систему кинематографа. Но она не пошла. А прижилась система Люмьеров. Более того, заложенные Люмьерами стандарты продержались столетие и продолжают действовать до сих пор.

Идея кинематографа, как способа фиксации и демонстрации движущихся изображений, пришла в головы изобретателей неслучайно. Огюст (годы жизни 1862—1954) и Луи (годы жизни 1864—1948) Люмьеры родились в семье художника, увлекавшегося фотографией. Они умели рисовать и с детства разделяли увлечение отца. В зрелом возрасте младший брат Луи был владельцем небольшого завода, на котором впоследствии производилось почти всё, что требовалось Люмьерам для киносъёмок. Луи и стал изобретателем кинематографа, а старший брат Огюст был его активным помощником, а потом и одним из первых в истории киноактёром. Само слово «кинематограф» придумано тоже Люмьерами.

Принцип действия кинематографа основан на инерционности нашего зрения. При смене картинок (кадров), на которых изображены последовательные фазы движения того или иного объёкта, с частотой от 1/16 секунды и чаще, зритель видит плавно движущуюся фигурку. Момент смены кадров зрение не фиксирует, поскольку это короткие тёмные паузы. Этот же принцип использовался в игрушках, изобретённых задолго до Люмьеров, вроде «волшебного» барабана с прорезями в боковой поверхности. Вовнутрь барабана вкладывалась бумажная лента с рисунками-кадрами. Раскрутив барабан и рассматривая изображения через боковые прорези, зритель видел движущуюся картинку.

Прообразом киносъёмочного аппарата Люмьеров стал обычный фотоаппарат, от которого была позаимствована светонепроницаемая камера и оптическая система – объектив и видоискатель. В качестве светочувствительного материала было решено использовать узкую целлулоидную плёнку шириной 35 мм. Этот формат, ставший в ХХ веке доминирующим и в фотографии, появился именно благодаря кинематографу. Правда, приоритет здесь принадлежит не Люмьерам, а Эдисону, который заказал узкую плёнку для своего кинетоскопа у Истмена, основателя компании «Кодак». Особенностью этой плёнки была перфорация – круглые транспортировочные отверстия, располагавшиеся с одной стороны плёнки. В эти отверстия входили зубцы валиков и зуб грейфера – скачкового механизма для прерывистой транспортировки плёнки мимо кадрового окна, на котором объектив киносъёмочного аппарата фокусировал изображение при экспозиции. Позже выяснилось, что круглая односторонняя перфорация не самое лучшее решение. При перемещении плёнки внутри аппарата односторонняя перфорация часто приводит к перекосам и заклиниванию плёнки. Перфорация стала двусторонней, а форма перфорационных отверстий прямоугольной.

Грейферный механизм – это вращающийся кривошип с Г-образным рычагом. Этот рычаг, грейфер, входит в зацепление с перфорацией плёнки, перемещает её на один кадр вниз, затем выходит из зацепления и совершает обратный ход, чтобы потом войти в зацепление с верхним перфорационным отверстием и снова переместить плёнку вниз на один кадр. В момент обратного хода грейфера плёнка остаётся неподвижной. В это время и происходит процесс съёмки – фотографирования сфокусированного объективом изображения. Чтобы в момент прерывистой транспортировки плёнки мимо кадрового окна не происходило смазывания картинки, между кадровым окном с плёнкой и объективом расположена перемещающаяся светонепроницаемая заслонка – обтюратор. Он в киносъёмочном аппарате выполняет функцию затвора фотоаппарата. Полностью процесс киносъёмки выглядит так. Обтюратор перекрывает сфокусированный объективом световой поток, грейфер перемещает плёнку на кадр вниз, обтюратор открывает световой поток, происходит экспозиция кадра, грейфер совершает обратный ход, обтюратор перекрывает световой поток и – цикл повторяется. Добавим, что обтюратор мог быть дисковым, в виде сегмента круга, и в виде прямоугольной заслонки, перемещаемой вверх-вниз кривошипным механизмом. Обтюратор был механически связан с грейфером и работал с ним синхронно. Сам грейфер впоследствии был заменён мальтийским механизмом (назван так из-за формы кривошипа – в виде мальтийского креста), который применялся в профессиональной киноаппаратуре.

Легко заметить, что при работе киноаппарата невозможно изменить выдержку, с которой экспонируются кадры киноплёнки. Точнее, её можно было увеличить, замедлив протяжку плёнки или уменьшить, ускорив протяжку. Но это плохое решение, так как изменять скорость протяжки пришлось бы и во время демонстрации фильма. Поэтому управление экспозицией велось только двумя способами – использованием более или менее чувствительной плёнки, подходящей для определённых условий освещения, и изменением относительного отверстия объектива – диафрагмой. Поначалу диафрагма представляла собой набор заслонок с отверстиями разных диаметров. Но потом был применён лепестковый (ирисовый) механизм. А ещё позже появились и обтюраторы с переменным шагом светонепроницаемой заслонки. Увеличивая или уменьшая окно обтюратора можно было увеличивать или уменьшать выдержку экспозиции при неизменной скорости протяжки киноплёнки.

Киносъёмка – всего лишь часть технологического кинопроцесса. Отсняв плёнку, её надо было проявить и зафиксировать. Во время обработки зёрна галогенидов серебра в эмульсии экспонированной киноплёнки изменяли оптическую плотность (темнели) в соответствии с интенсивностью засветки. При обработке гипосульфитом натрия (фиксирующим раствором) не подвергшиеся засветке участки эмульсии вымывались, и плёнка утрачивала светочувствительные свойства. В результате получался негатив – светлые участки изображения выглядели как тёмные, а тёмные – как светлые.

Затем отснятый негатив переводили в позитив. Это производилось контактным оптическим способом. Две негативные плёнки, готовый негатив и неэкспонированную плёнку, накладывали эмульсионными слоями друг к другу. Затем прогоняли через экспонирующий аппарат, которым мог быть обычный киносъёмочный аппарат, но при этом перед объективом располагалось матовое непрозрачное стекло и источник света. Важно было добиться равномерного освещения кадрового окна. При этом на второй плёнке получалось позитивное изображение – обратное негативному. Плёнку снова подвергали химической обработке и получали готовую ленту.

Но мы описали простейший безмонтажный процесс. А в ход подготовки фильма очень часто требуется монтаж – соединение кусков пленки, отснятой в разное время и при разных обстоятельствах. При этом цель монтажа – стыковка сцен согласно сценарию фильма. Так вот, монтаж производился на исходном материале – негативе. А уже смонтированный негатив уже переводили в позитив, печатая несколько лент подряд – тираж киноленты. Копии отправляли в кинотеатры для демонстрации. Монтаж осуществлялся на специальных проекционных аппаратах, называемых монтажными столами. В отличие от киносъёмочных (и кинопроекционных) аппаратов здесь применялся другой механизм прерывистой транспортировки плёнки. На самом деле плёнка перемещалась плавно, а синхронно с ней вращалась стеклянная призма, которая последовательно «отслеживала» просматриваемые кадры. Это требовалось для быстрой перемотки ленты. К тому же неизбежное при таком просмотре мигание картинки особого значения не имело – сцены просматривались только с технологическими целями.

Наконец, демонстрация готового фильма. Здесь было всё очень просто – для демонстрации фильма использовался тот же киносъёмочный аппарат, но за задней поверхностью плёнки, напротив кадрового окна, устанавливалась лампа. Световой поток проходил через кадр плёнки, открытый обтюратор и фокусировался на белом отражающем экране. Транспортировка плёнки осуществлялась точно так же, что и при киносъёмке – работал грейфер, обтюратор, а плёнка перемещалась скачкообразно. К слову, и в киносъёмочном, и в кинопроекционном аппаратах (когда стали применять разную аппаратуру для съёмки и показа фильмов) равномерность продвижения плёнки регулируется зубчатыми колёсами и специальными компенсационными петлями. Плёнка образовывала свободную полупетлю перед входом в фильмовый канал кадрового окна и после него. Эти полупетли гасили скачкообразные движения плёнки и позволяли укладывать плёнку на катушки ровно, без перекосов и лишних напряжений. Но стоило лишь увеличить размер петли, как плёнка начинала путаться. При уменьшении размера петли плёнка рвалась. Поэтому мастерство киномеханика заключалось в том, чтобы точно и сразу выбирать размер компенсационной петли…

Демонстрация первых фильмов проходила под музыку. В качестве музыкального сопровождения использовалась игра музыканта (тапера) на фортепьяно и саксофоне (об этом сегодня мало кто знает). Причём, музыка требовалась вовсе не из каких-то эстетических соображений Люмьеров. Во время демонстрации фильмов в зале стоял невообразимый гул. Зрители вслух читали титры – поясняющие надписи, бурно выражали свои эмоции. И музыка была призвана заглушать этот шум.

Тапер – первая из кинематографических профессий, исчезнувшая уже в 30-е годы с появлением звукового кино. Тогда же исчезла и профессия актёра немого кино. Оказалось, что многие старые актёры, снискавшие популярность в эпоху «великого немого», обладали слабым невыразительным голосом. Сам великий Чарли Чаплин долго сторонился звуковой технологии, полагая, что голос его экранного героя не годится для кино. К счастью, он ошибался. Чарли остался Чарли и заговорив… Это имя мы помянули не напрасно. Встав на ноги и окрепнув, кинематограф не просто доказал своё право на существование, но из незатейливого балаганного зрелища превратился в особый вид искусства. Кино прочили роль «убийцы» театра. Но этого, к счастью не произошло – кинематограф, бравший начало от цирка, от пантомимы, а не от театра, с театральным искусством конкурировать не стал. Театр, как синхронное действо актёров и зрителей, со своей уникальной атмосферой соучастия, от распространения кино нисколько не пострадал. И появились новые кумиры, в ряду которых Чаплин был и остаётся одним из величайших…

Техника киносъёмки двигалась семимильными шагами. Если первые киносъёмочные и кинопроекционные аппараты приводились в действие вручную, то уже в 20-е годы появились механизмы, улучшающие равномерность протяжки плёнки. Сначала это были маховики с центробежными регуляторами. Если скорость вращения маховика превышала определённые рамки, кулачки центробежного механизма притормаживали вращение. В 30-е годы появились два принципиально важных для кинематографии механизма – электропривод и пружинный заводной механизм. Первый применялся в стационарных профессиональных камерах и во всех без исключения кинопроекционных аппаратах, позволив добиться высокой равномерности протяжки киноплёнки. В Это же время устанавливаются общепринятые стандарты скорости киносъёмки – 16 и 24 кадра в секунду. 24 кадра в секунду использовался в профессиональной кинематографии, 16 – в репортёрской и любительской кинотехнике.

О кинолюбительстве разговор особый. Появление альтернативных форматов киноплёнки – 16 и 8-миллиметровой, а также появление обращаемой киноплёнки, позволяющей получить позитив сразу, без промежуточной печати позитива, позволили сконструировать лёгкие и компактные камеры с пружинным приводом. Механизм киносъёмочного аппарата приводился в движение пружиной, которую перед съёмкой заводили складным ключом. Завода хватало на съёмку 3-минутной сцены, что по кинематографическим меркам очень много. Фильм – это набор разных сцен и разных планов. Изображение в кадре должно перемещаться. И очень длительные сцены зрителем воспринимаются плохо. Поэтому любительские аппараты с таким казалось бы «коротким» заводом позволяли снимать вполне состоятельные в творческом плане ленты. Но, прежде всего, любительская техника использовалась так, как мы сегодня используем бытовые цифровые (и аналоговые) видеокамеры – камкордеры. То есть для ведения семейного видеоархива, съёмки памятных событий, ведения видеодневников путешествий и так далее. Правда, занятия кинолюбительством было делом накладным. Плёнку надо было купить (не ошибившись с форматом – одних 8-миллиметровых плёнок было достаточно много, с различным расположением перфорационных отверстий, размеров кадрового окна, двойная и одинарная), отснять, проявить, смонтировать. Фильм при этом получался склеенным (после монтажа) и существовал в одном экземпляре.

В отличие от профессионального 35-мм формата любительские узкие плёнки имели гораздо меньшую площадь кадра. У стандартной киноплёнки, к примеру, кадровое окно имеет размер 24х18 мм, у 16-мм – в четыре раза меньше, а у 8-мм – в шестнадцать раз. Поэтому качество картинки на экране оставляло желать лучшего. Кстати, кроме 35-мм киноплёнки применялась (и применяется до сих пор) широкоформатная 70-мм, которая обеспечивает очень высокое качество демонстрации фильмов в кинотеатрах…

С конца 80-х годов ХХ века выпуск любительской киноаппаратуры прекратился, а вскоре был прекращён и выпуск любительской киноплёнки. В небытие ушла целая технология. Но при этом кинолюбительство стало доступней и дешевле. Вместо капризных кинокамер со сложным процессом обработки киноплёнки на рынок вышли аналоговые, а потом и цифровые электронные видеокамеры. Поначалу дорогие игрушки, сегодня они стоят не дороже фотоаппарата среднего уровня, примерно как приличный телевизор (не с самым большим экраном). Эти камкордеры выпускаются и продаются многомиллионными тиражами. Так что технология кардинальным образом изменилась, но любительское кино продолжает жить…

А кем были Огюст и Луи Люмьеры? Самыми настоящими кинолюбителями, так и не ставшие в полной мере профессионалами… Кто сегодня скажет, что изобретение братьев Люмьер не гениально?