Рост и развитие транспортных систем

 3.2. ВОДНЫЙ ТРАНСПОРТ

Морской транспорт играет в грузоперевозках немалую роль, поскольку три из шести континентов нашей Земли представляют со­бой гигантские острова, товарообмен между которыми возможен с помощью морских судов - самого мощного и де­шевого из всех транспортных средств. Этим транспортом перевозят только очень небольшую часть всех грузов (около 4 %), но зато на очень далекие расстояния, поэтому на его долю приходится почти 5/6 всего мирового грузооборота [Самые большие корабли: C древнейших времен до на­ших дней. Беpежных О. А. http://webpages.charter.net/abacus/news/ber.htm].

Водный транспорт это один из наиболее старых видов транспорта. Когда и как появился первый прообраз плота, или лодки сейчас установить нельзя, так как нет возможности отличить случайно сцепившиеся бревна от бревен, соединенных искусственно.
3.2.1. Развитие движителей
Первые следы использования лодок – долбленок и весла датируются ХI тысячелетием до н.э. Вторичным РО такой лодки, обеспечивающим удерживание на воде, являлся ствол дерева. В нем была выдолблена выемка, которая служила местом для пассажира, т.е. являлась Первичным РО.
Появление водного транспорта позволило человеку перемещать грузы на большие расстояния, но ограничило его использование только водными путями. Первоначально такие транспортные средства передвигались по рекам по воле течения. Затем человек стал управлять их движением при помощи шеста.
 
Рис.1. Развитие весел: однолопастное (A - каноэ [http://artpano.ru/assets/images/schem/egipet/kanoe.jpg]), двухлопастное (B - байдарка [http://shop.tarantas.ru/img/g/2/3/02963.jpg ] ), многовесельное (C - ял [http://viking-nevo.narod.ru/images/expeditions/2003-rio/dir-rowing-big.jpg ] ).
Человек перемещал судно по воде, прикладывая свою мускульную силу к шесту и отталкиваясь от дна. Однако такое передвижение было возможно только вблизи берега. Поэтому сначала шест заменили весла-плавники.
& Тренд: точка-плоскость.
Затем на смену однолопастному веслу (каноэ) пришло двухлопастное (байдарка), что позволило увеличить эффективность работы весла практически вдвое за счет уменьшения времени между гребками.
& Принцип №20: Непрерывность полезного действия.
Затем появились весла в современном понимании, которые опирались на борт, что позволило увеличить силу, прикладываемую к веслу а, следовательно, и его эффективность. Но требования к транспорту росли, и количество РО-3 (весел) увеличивалось. (См. Рис.1).
& Тренд: моно – би -поли.
Продолжением этой тенденции стало дальнейшее увеличение количества весел. Но размеры деревянных судов были ограничены, хотя и достигали в период расцвета Рима 70 и более метров [http://www.spbuwc.ru/files/trolimp_51.doc]. Когда длина судна перестала позволять установку новых весел, появились многовесельные конструкции. Последовал переход от размещения весел в одной плоскости к их размещению в несколько этажей, то есть к размещению не в одной плоскости (палуба), а в объеме (См. Рис.3).
& Тренд: точка-линия-плоскость-объем.
Этот рост начался с двух рядов весел (бирема), затем появились триеры (3 ряда) и рост продолжался вплоть до 5 ярусов (пентекотера), хотя были и суда с большим количеством рядов весел. Например, утверждают, что корабль «Сиракузия» имела 20 рядов весел [Джеймс П., Торп Н. Древние изобретения / Пер. с англ. - Мн.; "Поппури", 1997. - 768с.].
 
Рис.2. Развитие весел: египетский корабль (А), бирема (B), греческая трирема (триера) (C), римская пентера (пентекотера) (D) [История корабля http://www.wpwally.com/cgi-bin/wp/wp.cgi?action=history_ship].
При увеличении количества ярусов весла начинали мешать друг другу, и разные ярусы разносили в пространстве.
& Принцип №4: Асимметрия.
Но путь увеличения грузоподъемности кораблей и судов за счет количества весел был достаточно эффективен только для случая ограниченной акватории. Ведь многочисленных гребцов (обычно рабов) было необходимо кормить и поить. Если это было возможно и оправдано для боевых кораблей, то для торговых судов это могло привести к разорению. Такие суда обычно использовали паруса.
 
Рис.3. Развитие парусов: греческий торговый корабль (А), римский торговый корабль с парусом – артемоном (B), римская двухмачтовая пентера (пентекотера) (C) [История корабля http://www.wpwally.com/cgi-bin/wp/wp.cgi?action=history_ship].
Появление парусных судов стало значительным этапом в развитии судостроения. Рост скорости здесь осуществлялся путем увеличения общей площади парусов. Причем, этот скачок был не только количественным, но и качественным. Если для гребных судов двигателем служила мускульная сила человека, то для парусных двигателем была энергия солнца, опосредованно представленная ветром. Поэтому парусное судно явилось, по сути, первой полноправной Технической Системой.
Первые парусные суда появились в Междуречье около 6000 лет назад. Несомненно, что парусный корабль представлял собой уже полноценную ТС, в отличие от гребных судов. Источником энергии для него служил ветер, который через парус передавал энергию солнца для движения. Несмотря на зависимость от погодных условий парус быстро распространился по миру. На гребных судах также часто ставили паруса.
& Тренд: Объединение альтернативных систем.
Первоначально появилась «двуногая» мачта, аналогичная конструкции на плоту «Кон-Тики». Через 2-2,5 тысячи лет она была вытеснена «одноногой» мачтой. Это вытеснение на первый взгляд противоречит тенденциям развития (би-моно...), но, в действительности было вполне закономерно. Ведь вторая «нога» мачты служила для предания устойчивости всей конструкции. Ее замена на гибкие натянутые канаты позволила выделить из дополнительной мачты ее главную функцию «удерживать».
& Принципы: №3 «Местного качества», №9 «Предварительного антидействия» и №30 «Использование тонких оболочек и гибких пленок».
При своем развитии ТС парусные суда двигались по той же линии, что и гребные. Самые древние корабли имели только одну мачту. Но для повышения эффективности движителя начало увеличиваться количество мачт. Сначала это был парус – артемон на наклонной носовой мачте (См. Рис.3В), которая в средние века превратилась в бушприт, затем появились полноценные дополнительные мачты (См. Рис.3С).
& Тренд: моно – би -поли.
Огромным шагом вперед было изобретение косого - «латинского» паруса. Дело в том, что одним из препятствий к широкому распространению парусных судов в античную эпоху являлась их жесткая зависимость от направления ветра, поскольку симметричные прямые паруса могли двигать судно только при попутном ветре (фордевинд) или под небольшими углами к нему (бакштаг). Появление ассиметричных косых парусов позволило двигаться судам не только под углом к направлению ветра (галфинд, бэйдевинд), но и при помощи маневров (галсов) двигаться против ветра.
& Принцип №4: Асимметрия.
В конечном итоге именно появление косых парусов оказалось решающим аргументов и привело к вытеснению гребного флота из основных сфер водного транспорта. Однако, за счет своей независимости от наличия ветра гребной «галерный» флот сохранялся еще долгое время в специализированных нишах, например в военном флоте.
 
Рис. 4. Развитие парусных судов: ганзейский когг (А), генуэзский торговый корабль (B), торговое судно северной Европы (C) [История корабля http://www.wpwally.com/cgi-bin/wp/wp.cgi?action=history_ship].
Развитие парусных судов частично повторяло историю парусников античности. Сначала шло увеличение количества мачт (См. Рис. 4).
& Тренд: моно – би -поли.
 
Рис. 5. Типы парусных судов ХVII-XIX веков: куттер (а), лютер (е), двухмачтовая шхуна (b), бригантина (c), баркентина (d), барк (f), корабль (g) [http://www.spbuwc.ru/files/trolimp_51.doc].
Параллельно шло объединение прямых (См. Рис. 5А) и косых (См. Рис. 5В) парусов в рамках одного судна, так как прямые паруса имели явное преимущество при попутном, а косые – при боковом ветре. При этом росло число мачт как одного, так и другого вида, в зависимости от предназначения корабля (См. Рис. 5).
& Тренд: объединение систем со сдвинутыми характеристиками.
Так, небольшие торговые суда, предназначенные для каботажного плавания вдоль берегов снабжались косыми парусами (См. Рис. 5 a, b, c, d). На крупные суда, предназначенные для плаванья в открытом море (См. Рис. 5 e, f, g) ставили преимущественно прямые паруса (См. Рис. 5 e, g) либо т.н. «смешанное вооружение» (См. Рис. 5 f).
Росла грузоподъемность судов и, соответственно, увеличивались размеры паруса. Однако эти размеры были ограничены не только возможностями текстильных предприятий, но и существенным неудобством работать с большими парусами. В ХVI веке началось дробление парусов (См. Figure 5).
& Принцип №1 «Дробление».
Однако даже самые быстроходные парусные корабли, как правило, не показывали среднюю скорость более 12-13 уз [Шапиро Л.С. Самые быстрые корабли. - Л.: Судостроение, 1981, с. 9.]. Отдельные рекорды, например клиппера «Катти Сарк», который при благоприятных условиях достигал скорости 18 уз [Иван Ефремов Катти Сарк http://base13.glasnet.ru/text/efremov1.htm], были исключением из правил. Поэтому с середины ХVIII развитие водного транспорта пошло по направлены замены паруса на машину. Однако такая замена потребовала также коренного изменения РО.
В действительности, история развития РО началась достаточно давно. Еще в ту пору, когда в судоходстве безраздельно господствовали весло и парус, люди пытались изобрести новый способ передвижения по воде. На римском барельефе 527 г. до н. э. изображено судно, у которого имеются три пары колес с лопастями, уходящими в воду. Их приводят в движение волы. Как свидетельствуют письменные источники, в Китае еще в 1161 г. была построена речная джонка длиной 110 м с гребными колесами, приводимыми в движение ветряками [Самые большие корабли: C древнейших времен до на­ших дней. Беpежных О. А. http://webpages.charter.net/abacus/news/ber.htm], а первое судно - паром с механическим приводом бортовых колес, приводимых в движение лошадьми, начало работать в 1682 г. на речной переправе в графстве Чатем (Chatham). Колесным было и первое в мире паровое судно "Пироскаф", построенное маркизом Жоффрей де Аббанс с машиной Ньюкомена (См. ПРИЛОЖЕНИЕ 2.2). Однако следует отметить, что колеса на этом судне представляли собой соединенные лопасти весел.
В появлении колеса, как движителя, несомненно, сыграл роль опыт использования водяных мельниц. Действительно, трудно не согласиться с доводами Даниловского [http://blogs.mail.ru/mail/zrts7/3ABF99957CD25FC1.html], что в этом случае нет принципиальной разницы между использованием колеса в качестве источника энергии, либо в качестве движителя.
Однако психологическая инерция возобладала и на пароходе, который был позже сооружен американцем Фитчем, машина приводила в движение весла, так что оно двигалось на манер галеры [Сто великих изобретений: Пароход http://savelaleksandr.narod.ru/IZOB/page34.html]. Позднейшие изобретатели, в том числе и тот же Фитч, в дальнейшем вернулись к гребным колесам.
Кстати, тот же Дж. Фитч в 1796 г. построил паровой катер с гребным архимедовым винтом "Collect" и начинает его испытания в Нью-Йоркской гавани. Именно винты и являются в настоящее время основным движителем для большинства судов.
Смена движителей происходила не единовременно. Так же, как в античные времена комбинировали гребные и парусные суда (См. Рис.6А), точно так же колесные приводы ставили на паровые суда (См. Рис.6В). Именно таким судном и была «Саванна», которая первой пересекла Атлантику (См. ПРИЛОЖЕНИЕ 3.1).
& Тренд: объединение альтернативных систем.
 
 
Рис. 6. Объединение различных видов движителей в рамках одной системы. Объединение весла и паруса [История корабля http://www.wpwally.com/cgi-bin/wp/wp.cgi?action=history_ship ] и паруса и паровой машины с колесом [ www.fegi.ru/primorye/flot/flot_122.htm ].
Причем и развитие колесного движителя протекало не однозначно. Так, не было ясности, какой вариант более эффективен: боковой, или кормовой (См. Рис.7.). В конечном итоге боковое положение колес стало правилом для морских судов, а кормовое – для речных.
 
Рис. 7. Способы установки колесного движителя на судне боковой (А) и кормовой (В) [http://www.vpl54.narod.ru/PAROHOD.html].
Но период преобладания колесных движителей был сравнительно коротким. Всего через 30 лет после организации первой пароходной линии на реке Клермонт в Лондонском порту появляются винтовые буксиры.
Это объясняется тем, что колесный движитель малоэффективен в условиях бортовой качки, когда колеса попеременно выходят на воздух и вращаются вхолостую. В то же время, колесные движители (особенно кормовые), способные передвигать суда по малым глубинам и обеспечивающие высокую маневренность, надолго сохранились в речном флоте. Сейчас даже имеются проекты восстановления сдоходства на малых реках с использованием судов с кормовым колесом.
 
Рис. 8. Схема судна «Грейт Истерн» [ru.wikipedia.org/wiki/Грейт_Истерн].
Как и в случае замены колесом паруса, замена колеса винтом также проходила через использование объединенных систем. Так, на громадном корабле «Грейт Истерн» машинная установка мощностью 8000 л. с. приводила в действие два больших гребных колеса с лопастями по бортам и винт в корме (См. Рис. 8.). Кстати, на нем оставались еще 5 мачт с парусным вооружением.
Одним из дополнительных преимуществ винта стала возможность его совместного использования с парусным вооружением. Дело в том, что для парусно-моторных судов тогда стояла серьезная проблема: движитель мешал двигаться под парусом. Для винта, в отличие от колес, это противоречие было разрешено разделением во времени – винт снимался через специальный колодец на корме.
Преимущества винта перед колесом не были очевидны, поскольку тихоходные паровые машины не позволяли их увидеть. И только с увеличением скорости машины винт стал интенсивно вытеснять колесо. Второй предпосылкой для использования винта была заметная вибрация корпуса, которая гораздо лучше переносилась не деревянными, а железными судами (См. Раздел. 3.2.3). И, наконец, широкое распространение винтов было бы немыслимо без решения таких технических проблем, как высокооборотные подшипники и сальники. Ведь, в отличии от колес, винты работают при погружении их оси в воду, что требует специального уплотнения.
Появление винта было обусловлено целым рядом условий. С одной стороны, его принцип был известен с глубокой древности («архимедов винт» для орошения), с другой – в отличии от колеса он не использовался ни в мельницах, ни в качестве движителя, поскольку его преимущества становятся заметны только при достаточной скорости. Сам винт также не избежал изменений. Дело в том, что первоначально в качестве движителя были попытки использовать винт из дерева, который делал за один оборот два полных витка (то, что называется «двойной шаг» винта). Во время испытаний нового винта в судоходном канале от удара о плавучий предмет половина винта отвалилась, но при этом судно резко прибавило в скорости. Изобретатель Смит оценил неожиданный подарок судьбы и увеличил количество лопастей, одновременно сузив лопасти – в итоге винт стал очень похож на винты современные [История развития конструкций винтов: Часть 1 http://www.badger.ru/reviews/motors/6144.php]. Изменения вида винта представлены на Рис. 9.
 
Но и многолопастные винты, первоначально, не давали больших преимуществ на тех скоростях вращения, которые обеспечивали тогдашние паровые машины. Так английский двухвинтовой крейсер «Айрис» в 1878 г. не выполнил на сдаточных ходовых испытаниях контрактной скорости. После замены четырехлопастных винтов двухлопастными сдаточная комиссия была буквально ошеломлена: если с четырехлопастными винтами при мощности машин 5250 л.с. корабль показывал 15,1 уз, то с двухлопастными - уже при мощности 4370 л.с. он развил скорость 15,5 уз [http://www.science.sakhalin.ru/Ship/M-03c.html]. Поэтому в судостроении надолго утвердились двух- и трех- лопастные винты.
& Тренд: согласование потоков.
И только при появлении высокооборотных машин (например турбин), стало расти количество лопастей, что соответствует тренду «би – поли...» (См. Рис. 10.).
& Тренд: би -поли.
Увеличивалось не только количество лопастей, но и количество винтов. Например, на «Титанике» их было 3. А на первом судне с турбиной Чарльза Парсонса «Турбиния» было по 3 винта на каждый вал.
 
Рис. 10. Увеличение количества лопастей гребного винта [http://en.wikipedia.org/wiki/Propeller]. Винты Титаника: два 3-лопастных и 1 4-х лопастной в центре (А) и 6-и лопастной винт современного транспортного судна (В).
В линии развития движителей шест - весла – гребное колесо – винт видно изменение направления движения РО. Шест отталкивал лодку от дна, касаясь его в точке. Весла двигались по линии, отталкивая воду против направления движения судна и перпендикулярно к его оси. Гребные колеса (как боковые, так и кормовые) двигались в плоскости по окружности, перпендикулярно к оси судна. Винт двигается также по окружности, но уже вдоль оси судна. Причем это движение идет по спирали.
& Тренд: точка – линия – плоскость – спираль.
Это соответствует ЗРТС и отмеченной Ю. Даниловским закономерности развития движителей [http://foto.mail.ru/mail/zrts7/EJuraJURA/1108.html ].
Кроме того, существует еще ряд движителей: водометный, пропеллер (для глиссеров и судов на воздушной подушке) и т.д., которые не будут здесь подробно рассматриваться из-за сравнительно малого распространения по сравнению с традиционными.
3.2.2 Развитие двигателей
С середины ХVIII века на водном транспорта началась замена паруса на машину. Эти процессы протекал достаточно медленно. Так, паровое судно с машиной Ньюкомена и лопастными колесами было построено в 1736 году, но только в 1807 году Р. Фултон начал регулярные перевозки на реке Клермон. Преобладание парового флота над парусным было достигнуто только в районе 1880 г. (См. Рис. 11.). А преобладание в мире суммарного водоизмещения моторного флота над парусным произошло только в период с 1916 по 1926 гг. [http://www.skaugen.com/index.php?option=com_content&view=article&id=3&Itemid=6].
 
Рис. 11. Изменение общего водоизмещения, построенного за 1 год парусного (А) и парового (В) флотов [ THE LUDDITES VERSUS THE GEEKS ].
Параллельно с вытеснением паруса началась конкуренция между различными типами двигателей для моторных судов.
Первым конструктором, установившим на своем экспериментальном корабле паровую турбину, стал Чарлз Адджернон Парсонс. В 1897 г. Миноносец «Турбиния» принял участие в гонках быстрейших кораблей Королевского флота. В кратчайшие сроки турбины появились сначала на военном, а затем и на гражданском флоте.
В скором времени появился новый конкурент – дизель. Причем, скорость происходящих изменений со временем возрастала. После появления первого дизельного катера в 1903 году уже в том же году появился первый речной дизель-электроход «Вандал», в 1911 году первый океанский теплоход, а с 1929 по 1938 гг. количество теплоходов уже превысило количество пароходов [ http://www.skaugen.com/index.php?option=com_content&view=article&id=3&Itemid=6 ]. 
Следующим этапом стало появление первого в мире гражданского атомохода — ледокола «Ленин» в 1959 г. [http://ru.wikipedia.org/wiki/]. Необходимо отметить, что хотя источником энергии в атомоходах служит ядерная реакция, но энергия атомного деления преобразуется в тепло и далее, через паровую турбину, в механическое движение. Т.е. атомный двигатель это также разновидность теплового двигателя.
3.2.3. Развитие материалов и технологий
С конца ХVIII века началась смена материала корпуса с дерева на железо и сталь. Это было обусловлено целым рядом причин. Во-первых, деревянные суда были недостаточно прочными по причине ограниченных механических свойств материала.
Так, размеры (и водоизмещение) кораблей росли вплоть до средины XVIII века. Это было, скорее всего, связано с тем, что деревянные корабли обладали недостаточной продольной прочностью. Проблема была решена только тогда, когда стали применяться диагональные связи - ридерсы [http://www.science.sakhalin.ru/Ship/M-03a.html]. Их использование хоть и позволило увеличить длину корпусов деревянных кораблей с 60 м в XVIII веке до 100 м в начале XIX века, однако не могло кардинально решить проблему их общей продольной прочности без замены самого конструкционного материала.
Во-вторых, деревянные суда имели ряд недостатков, к числу которых следует отнести отсутствие цельной по длине обшивки. Наружная обшивка корпуса состояла из отдельных досок, стыки которых увеличивавшие сопротивление воды.
В-третьих, ранние паровые суда имели деревянные корпуса, которые не выдерживали сильной вибрации, что и стало еще одной причиной появления кораблей с корпусами из железа.
Наибольшим из деревянных парусных судов считается шхуна «Вайоминг» водоизмеще­нием 8,5 тыс. т и грузоподъемностью 5,1 тыс. т. Это деревянное шестимачтовое двухпалубное парусное судно было построено в 1910 г. в США. Парусник имел внушительные размеры (длина корпуса 106,7 м, ширина 15,2 м, высота борта 10,3 м, осадка килем 3,4 м). Но эпоха деревянного судостроения подошла к концу [ Самые большие корабли: C древнейших времен до на­ших дней. Беpежных О. А. http://webpages.charter.net/abacus/news/ber.htm ].
Впервые железо применили в судостроении в 1787 г.; тогда в Англии был изготовлен лихтер длиной 21 м с обшивкой из железных листов. Первое полноценное железное судно построил в 1815 году англичанин Иевонс. Плавало оно отлично. Однако мгновенно было уничтожено... строителями деревянных судов, не сумевшими снести появление конкурента [http://jtdigest.narod.ru/dig2_04/korabl.htm ]. А вскоре появился первый полностью железный пароход "Аарон Мэнби", построенный в 1821 г. В 1822 г. он вышел из Лондона и, пройдя пролив, пришел в Гавр. Но большинство судостроителей отнеслось к новому материалу недоверчиво, поэтому еще несколько лет железные суда не строили.
С применением железа открывались почти неограниченные возможности для ликвидации этих недостатков, так как края листов обшивки можно легко соединять при помощи заклепок. Однако к этому выводу пришли не сразу. Понадобились годы, прежде чем началась постройка больших железных судов.
Первый, полностью железный линейный винтовой пароход Great Britain ("Великобритания") был построен в Бристоле в 1843 г. [http://www.polarcom.ru/~vvtsv/s_doc9a.html ]. Переход к железу был достаточно плавным, поскольку в первую очередь из железа стали делать набор корабля (киль и шпангоуты). Например, именно такой композитный корпус был у легендарного клипера "Катти Сарк" [library.thinkquest.org/C0125871/e4.htm ]. В данном случае мы видим проявление закона объединения альтернативных систем для материалов.
& Тренд: объединение альтернативных систем.
Естественно, что успехи железного, а затем стального судостроения не могли бы появиться без наличия качественного и достаточно дешевого металла. Действительно, именно в это время появляются новые способы производства стали (См. Гл. 2). И в настоящее время сталь остается основным материалом для производства судов.
В судостроении видна четкая тенденция повышения удельной прочности используемых материалов, что соответствует Закону Повышения Идеальности [А. Кынин МЕТОДЫ ТРИЗ В МАТЕРИАЛОВЕДЕНИИ // Журнал ТРИЗ 2 (15), 2006, С. -. TRIZ in MATERIAL SCIENCE. //Journal of TRIZ 2(15), 2006, P.64-74.].
С появлением дешевого промышленного способа получения стали в больших количествах она вытеснила железо из судостроения, так как многие части корпуса судна из стали могут быть сделаны тоньше (примерно на 20 %) железных с сохранением той же прочности. Этим достигается выигрыш в массе и стоимости корпуса. Экономия в массе корпуса по сравнению со строившимися железными судами позволила увеличить грузоподъемность судна. Сталь пришла на смену железу в судостроении в 80-90-x гг. XIX в., хотя три первых морских стальных судна были построены в Англии раньше - в 1864 г. [ Самые большие корабли: C древнейших времен до на­ших дней. Беpежных О. А. http://webpages.charter.net/abacus/news/ber.htm ].
Но возникла следующая проблема. Ведь стальные листы надо было соединять! Для этого использовали заклепки. Соединение металлов клепкой известно с античных времен, но в судостроении она начала применяться только с 80-к годов XVIII века. В целях увеличения прочности соединений отдельные детали корпуса судна крепились шестью рядами заклепок. В тех же целях была внедрена пневматическая и гидравлическая клепки, но дальнейшие возможности увеличения прочности заклепочных соединений были полностью исчерпаны. Дело в том, что относительная крепость соединения, имеющего отверстие для заклепок, не может превышать 80%; в обычных судовых заклепочных швах она не выше 65 % . Поэтому требовалось найти более удобный метод соединения.
В результате развития электротехники был создан новый способ неразъемного соединения металлов - электрическая контрагетная сварка, впервые примененная в 1867 г. американцем Томсоном. В 1881 г., русским изобретателем H. Н. Бенардосом был предложен способ электрической сварки вольтовой дугой с угольными электродами, а вскоре Н. Г. Славянов создал металлоэлектродную сварку вольтовой дугой (1886 г). Именно этот вид сварки, называемый теперь электродуговой сваркой, получил наибольшее распространение в судостроении, где она имеет наивысшую эффективность.
Хроника первых опытов по применению электросварки для постройки корпусов судов: 1915 г.- рабочий катер длиной 12,8 м (США), в котором клепаным было только крепление обшивки к форштевню и килю; 1917 г.- баржа длиной 38,2 м (Англия); 1920 г.- портовое судно "САФ Нс 4" длиной 20 м (Франция) [ Самые большие корабли: C древнейших времен до наших дней. Беpежных О. А. http://webpages.charter.net/abacus/news/ber.htm ].
Развитие способов закрепления обшивки судов также иллюстрирует ЗРТС: переход от крепления в точке (гвоздь, заклепка) к линии (сварной шов).
& Тренд: точка - линия - плоскость.
3.2.4. Развитие и рост традиционного водного транспорта
Как следует из Табл.3 важнейшими параметрами всех транспортных систем являются их грузоподъемность (пассажиро-вместимость) и скорость.
Теперь рассмотрим зависимость от времени другой такой важной качественной характеристики, как скорость. К сожалению, точных данных о характеристиках древних судов найти не удалось, поэтому при построении огибающей кривой для водного транспорта воспользуемся оценочными данными о скорости судов, любезно предоставленных В. Петровым (См. Рис. 12).
 
Рис. 12. Огибающие кривые развития судостроения [Шерохов А.П. К истории военного кораблестроения. - М.: Воениздат, 1952, с 25, 55.].
Из графика видно, что зависимость скорости от времени для водного транспорта также как для других видов транспорта может быть описана сглаженной огибающей кривой.
 
Рис. 13. Зависимость рекордов скорости пассажирских лайнеров на Атлантическом (1) и Индийском (2) океанах (A) [Holders of the Blue Riband http://en.wikipedia.org/wiki/Blue_Riband] и эффективность паровых двигателей (B) от времени.
Рассмотрим более подробно зависимость скорости судов от времени. На Рис. 13 представлены данные для рекордов скоростей пассажирских лайнеров, которые использовались на Трансатлантических и Индийских линиях и боролись за приз «Голубая лента». Скорость пассажирских лайнеров увеличилась за рассмотренный период почти в 8 раз. Но на этой зависимости наблюдаются «ступеньки» в 1850-1880 и 1950-1980 г.г.
Первая задержка в 1850-80-х г.г. скорее всего, связана с задержкой повышения эффективности паровых двигателей. Можно предположить, что задержки в развитии систем могут быть связаны с ограничениями, которые накладывает «поддерживающая» система (в данном примере - двигатель).
Причины задержки в 1950-80-х годах, едва ли можно объяснить исчерпанием ресурса эффективности паровых машин, поскольку еще в 1937 г. количество судов с дизельными двигателями стало больше, чем паровых. Эти причины будут рассмотрены позднее.
 
Рис. 14. Зависимость водоизмещения индивидуальных судов (A, B) и их скорости (C) от времени. Водоизмещение боевых кораблей [Weight_Growth_of_RN_First_Rate_Line-of-Battle_Ships_1630-1875.gif]: парусных деревянных (1), паровых деревянных (2), паровых железных (3) и паровых и моторных пассажирских судов (4) [http://en.wikipedia.org/wiki/Passenger_ship]. Рекорды скорости пассажирских лайнеров на Атлантическом (1) и Индийском океанах (A) [Holders of the Blue Riband http://en.wikipedia.org/wiki/Blue_Riband]
На общей зависимости водоизмещения от времени нет никаких признаков влияния проблем, связанных с изменением материала с дерева на железо. Также незаметно для общей зависимости прошла смена клепаного судостроения на сварное в 1930-40-х г.г. Практически не повлияла на характер кривой также смена двигателей: с паруса на паровую машину и с паровой машины на дизель (См. Раздел 3.2.1.) и движителей, то есть замены парусов на суда с колесным, а позже с винтовым приводом. Но что же тогда влияет на эволюцию водного транспорта?
Как уже было отмечено, Вторичным Рабочим Органом любого представителя водного транспорта является его корпус, который обрабатывает воду и частично в нее погружен. Поэтому нами основной характеристикой для сравнения было выбрано водоизмещение корабля, поскольку именно оно определяет возможности перемещения кораблем груза.
На Рис. 14 представлены данные по увеличению водоизмещения различных кораблей. Это боевые корабли: парусные деревянные, паровые деревянные, паровые железные, а также паровые и моторные пассажирские суда. Мы можем полагать, что сравнение объектов различного назначения (военные и пассажирские корабли) будет достаточно корректным. Действительно, водоизмещение корабля, выбранное в качестве параметра сравнения, определяется в первую очередь его размерами, а размеры зависят от общего уровня технологии, и не так важно, будет ли корабль перевозить пушки, или пассажиров. Действительно, как видно из графика, линии развития, рост водоизмещения, как военных, так и пассажирских судов хорошо ложится на одну общую зависимость (См. Рис. 15).
Рассмотрим зависимость водоизмещения от времени более подробно. Для выяснения причин задержки увеличения индивидуальных размеров кораблей (водоизмещения) сравним изменение максимального водоизмещения построенных кораблей с ростом общего водоизмещения мирового флота и количеством кораблей, зарегистрированных агентством Ллойда (См. Рис. 15).
 
Рис. 15. Зависимость от времени водоизмещения крупнейших пассажирских судов (A) [http://en.wikipedia.org/wiki/Passenger_ship], суммарного водоизмещения всех судов мира (B) [Comparison of the coverage of the Lloyd?s and Répertoire Générale registers http://homepages.ihug.co.nz/~j_lowe/C16ComparisonBVLL.htm (3), Registered World Fleet, 1914-2000 http://people.hofstra.edu/geotrans/eng/ch3en/conc3en/worldregisteredflee... (2), GLOBALIZATION AND THE RACE FOR RESOURCES http://www.ssc.wisc.edu/globalization_and_the_race_for_resources/materia... (1)] и общего количества судов, зарегистрированных агентством Ллойда (С).
На Рис. 15 видно, что водоизмещение крупнейших судов не увеличивалось в 1950-80-х годах, так же как и их скорость. Но именно в этот период количество судов выросло в 3 раза, а их суммарный тоннаж – в 5 раз! В это же время наблюдается резкий рост стали, используемой для судостроения, что также является косвенным признаком значительного роста мирового флота [http://www.ssc.wisc.edu/globalization_and_the_race_for_resources/materials.html].
Можно предположить, что развитие (т.е. повышение качественных характеристик системы) связано с ее количественным ростом, в результате которого шло экстенсивное развитие системы. При возрастании количества судов, не было крайней необходимости улучшать их параметры. Это не значит, что суда перестали совершенствовать. Но упор в изменении данной ТС был сделан на такие усовершенствования, как отработка технологий поточной сборки, удешевление эксплуатационных затрат и т.д.
Это предположение, казалось бы парадоксальное, подтверждается данными и для других ТС, в том числе для паровозов (См. Раздел 3.3). Действительно, как только какая либо ТС достигает таких параметров, которые удовлетворяют потребителя, то начинается ее массовый выпуск. И он продолжается до тех пор, пока у общества (или его части) не возникнут новые, повышенные запросы.
Возможно, что именно поэтому на общей зависимости водоизмещения от времени нет никаких признаков влияния проблем, связанных с изменением материала с дерева на железо. Также незаметно для общей зависимости прошла смена клепаного судостроения на сварное в 1930-40-х г.г. Практически не повлияла на характер кривой также смена двигателей: с паруса на паровую машину и с паровой машины на дизель (См. Раздел 3.2.1.) и движителей, то есть замены парусов на суда с колесным, а позже с винтовым приводом.
 
Рис. 16. Зависимость изменения водоизмещения в тоннах (А), скорость движения в км/ч (В) и комплексного параметра в тонно*км.час (С) от времени для судов – обладателей приза «Голубой Ленты Атлантики» [Holders of the Blue Riband http://en.wikipedia.org/wiki/Blue_Riband] и крупнейших пассажирских судов мира [ http://en.wikipedia.org/wiki/Passenger_ship ].
Теперь рассмотрим обобщенные характеристики судов. Ранее нами было сделано предположение, что действительной «линией жизни» Технических Систем отвечает комплексный параметр, включающий в себя противоречивые требования к данной системе [А. Кынин, В. Леняшин, Н.Фейгенсон. Развитие технических систем http://www.metodolog.ru/01488/01488.html]. В случае водного транспорта такими противоречивыми требованиями будут являться водоизмещение (точнее связанная с ним грузоподъемность) и скорость. Действительно, грузоподъемность тем выше, чем больше объем части судна, погруженной в воду. Однако это связано с площадью сечения. В свою очередь, площадь поперечного сечения определяет сопротивление движению. А, следовательно, при прочих равных условиях (например, мощности двигателя и т.д.) чем больше водоизмещение, тем меньше скорость и наоборот.
Казалось, что было бы более целесообразным рассматривать для пассажирского водного транспорта их пассажиро-емкость, в соответствии с п.п. 3.1.2. К сожалению, водный транспорт имеет очень сильные различия в количестве пассажиров, в зависимости от классности кают. Поэтому использование водоизмещения в качестве критерия емкости более целесообразно.
Рассмотрим изменение комплексного параметра в виде произведения водоизмещения на скорость движения от времени, представленного на Рис. 16 С. Начиная с начала XIX века и до середины XX века система «водный транспорт» развивалась достаточно равномерно, причем задержки в развитии одного из параметров успешно компенсировались усиленным развитием противоположного параметра. При этом происходило «сглаживание» кривой развития. Однако, начиная с 1950-х годов, наблюдается задержка в увеличении, как скорости, так и водоизмещения пассажирских судов. Причем, суда – «рекордсмены», получившие «Голубую ленту» за скорость, вообще исчезают вплоть 80-х годов.
Эта задержка в 1950-80-х годах по-видимому связана с бурным ростом количества судов, как было показано ранее. Возможно, что влияние оказала также конкуренция, поскольку на графике представлены данные для трансатлантических лайнеров. Именно в это время (1957 г.) количество пассажиров, перевезенных через Атлантический океан самолетами, превысило количество пассажиров, перевезенных на пассажирских судах.
При этом пассажирские лайнеры продолжают строиться, однако их комплексный параметр даже уменьшается. Однако с 1990 года опять появляются суда-рекордсмены. Причем, значения их комплексного параметра лежат на продолжении главной зависимости. В то же время отдельные характеристики систем имеют явно выраженные задержки в виде ступенек. То есть, можно предположить, что возможность создания таких судов была, а необходимости – не было. В то же время, когда эта необходимость появилась, то создать такие лайнеры оказалось технически возможно. Кстати, характер зависимости комплексного параметра от времени скорее всего говорит о начинающемся насыщении. Это вполне вероятно, поскольку скорости, достигнутые надводными пассажирскими судами, близки к скоростям, предельно достижимым по экономическим соображениям, так как при больших скоростях нелинейно растет сопротивление воды. То есть, можно обоснованно предполагать, что успешными будут только те системы, которые находятся на линии развития по значениям комплексных параметров.
Несколько слов о системах, характеристики которых отличаются от средних значений. В классическом описании систем по ТРИЗ постулируется появление образцов с экстремальными характеристиками ("гиганты") только на заключительном этапе развития системы [Альтшуллеp Г.С., Злотин Б.Л., Зусман А.В. ПОИСК HОВЫХ ИДЕЙ: ОТ ОЗАРЕHИЯ К ТЕХHОЛОГИИ Кишинев, "Каpтя Молдовеняскэ" - 1989]. С этим трудно спорить, однако появление "экстрималов" не всегда связано со старостью системы. Самым известным примером такой системы является корабль "Грейт Истерн".
"...В 1860 году был спущен на воду "Грейт Истерн", самый знаменитый корабль столетия, прозванный современниками "железным чудом". Он превосходил ранее построенные суда по водоизмещению в шесть раз, по длине - более чем вдвое, по мощности двигателей - в два с половиной раза. Имея двойной корпус и усиленную систему набора, "Грейт Истерн" отличался прочностью и надежностью. Энергетическая установка была трехкратно резервирована: судно имело полное парусное вооружение, размещенное на шести мачтах, гребные колеса, винт..." [С.Б. Переслегин К ОПРЕДЕЛЕНИЮ ЭКОНОМИЧЕСКОЙ ЭФФЕКТИВНОСТИ ИННОВАЦИЙ http://bizness-plan.nm.ru/bp/stat/inv/stat3.htm]. Действительно, этот корабль явно выпадает из общей линии развития (См. Рис. 16). Он, по расчетам Переслегина, обогнал свое время: "...по критерию водоизмещения на 45 лет, по энергетике - на 28 лет, но по тяговооруженности отстал на 23 года...". Результатом такого "забегания вперед" было досрочное списание корабля на металлолом. То есть, данный рекорд оказался "преждевременным".
Другим примером "преждевременных" систем являлся корабль царя Гиерона II "Сиракузия". Галера имела 20 рядов весел и была так велика, что могла привезти 1800 тонн груза, но могла войти только в порт Александрии, где и тихо сгнила у причала [Джеймс П., Торп Н. Древние изобретения / Пер. с англ. - Мн.; "Поппури", 1997. - 768с. ].
3.2.5. Развитие альтернативных видов водного транспорта
Как уже было сказано, для водного транспорта противоречивыми требованиями будут являться водоизмещение (точнее площадь поперечного сечения) и скорость. Люди всегда спешили и, естественно, у изобретателей появлялись идеи, как повысить скорость движения.
Взможным вариантм было снижение площади поперечного сечения судна. Но в этом случае мы столкнемся с другим противоречием: чем меньше поперечное сечение и, следовательно, ширина судна, тем меньше его поперечная устойчивость. Эта характеристика необычайна важна и история хранит упоминания о таких катастрофах, как гибель флагмана шведского флота «Ваза» в 1628 году [http://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%92%D0%B0%D0%B7%D0%B0_(%D0%BA%D0%BE%D1%80%D0%B0%D0%B1%D0%BB%D1%8C)], или броненосца «Кэптэн» в 1871 году [http://www.ufostation.net/readarticle.php?article_id=163].
Одним из решений этого противоречия являлось создание катамаранов. В работе [А. Любомирский, С. Литвин ЗАКОНЫ РАЗВИТИЯ ТЕХНИЧЕСКИХ СИСТЕМ – 2003] создание катамаранов рассматривается, как пример перехода в надсистему. На наш взгляд это не так. Ведь Главный Рабочий Орган системы корабль – это часть, которая несет пассажиров. А в случае катамарана его палуба и надстройка оставались в пределах одной системы (См. Error! Reference source not found.). А вот РО системы был разделен на части:
& Тренд: моно – би -поли.
 
Рис. 17. Катамаран (A), глиссер (B) и судно на подводных крыльях (C).
Другим путем пошли создатели так называемых глиссеров. Их особенность заключается в форме подводной части, дающей большую скорость за счет использования подъемной силы корпуса (резкое сокращение сопротивления воды корпусу). Катер вылезает из воды и скользит по ее поверхности с небольшой осадкой (на редане). Во время следования катера на редане корпус катера соприкасается с водой только лишь полосой редана (ступенчатый выступ в средней части днища) и пяткой кормы. Глиссер-катер отличается от плоскодонного тем, что благодаря наличию редана он приобретает повышенную скорость по сравнению с плоскодонным или килевым, но весьма сильно уступает в мореходности [Элементы торпедных катеров http://militera.lib.ru/tw/kuzmin_a/12.html].
Создатели судов на подводных крыльях решили имеющееся противоречие следующим образом. Если в обычном судне выталкивающую силу создает погруженная в воду часть корпуса, то в судне на подводных крыльях – гидродинамический эффект погруженного в воду крыла. То есть часть корпуса, необходимая для осуществления функции «удерживать на воде», была вынесена и свернута в крыло. При этом часть корпуса, которая отвечает за Главную функцию – «удерживать груз и/или пассажиров» осталась над водой. Кстати, этот тип судна не такой уж и новый. Первый катер на подводных крыльях появился в 1908 году (См. ПРИЛОЖЕНИЕ 3.1). Однако, движитель такого судна все равно находится в воде.
Следующим шагом явилась смена принципа действия системы. Вслед за судами, которые полностью, или частично двигались по воде, появились суда на воздушной подушке и экранопланы. В соответствии с нашей классификацией, приведенной в Табл.2, такие средства транспорта уже не являются водными, а относятся к пограничным, которые могут действовать только на границах сред с разной плотностью. Но и к воздушными системам их отнести нельзя, так как они требуют присутствия вблизи жидкой, или твердой поверхности. Преимущественное использование таких «судов» на воде (точнее «над водой») вызвано только тем, что они требуют для движения сравнительно ровную поверхность.
В судах на воздушной подушке подъемную силу создает струя воздуха, создаваемая мощными вентиляторами. Как правило, для локализации «подушки» используются гибкие или надувные оболочки в виде «юбки». Движителем такой системы являются воздушные пропеллеры.
Экранопланы, в отличие от судов на воздушной подушке, формируют воздушную подушку за счет граничного эффекта, связанного с отражением набегающего потока воздуха от более плотной среды [http://www.litportal.ru/genre210/author3880/read/page/33/book16919.html]. Это отражение является следствием движения судна. То есть, можно в первом приближении считать, что экраноплан САМ создает воздушную подушку. В этом случае налицо следствие закона повышения идеальности.
 
Рис.18. Судно на воздушной подушке (A) и экраноплан (B).
Сейчас происходит бурное развитие альтернативных видов судов. Но при этом необходимо отметить, что это развитие в очень большой степени зависит от имеющихся ресурсов. Их появление было бы немыслимо без создания мощных моторов и легких сплавов.
ВЫВОДЫ
На примере древнейшего из видов транспорта – водного, были рассмотрены закономерности его развития и связи с развитием ресурсов.
Показано, что повышение таких важнейших характеристик ТС «корабль», как водоизмещение и скорость, происходило последовательно и описывается плавными возрастающими кривыми. При этом на данных зависимостях практически не отражались такие изменения в системе, как замена материала (дерево-железо-сталь), замена движителя (парус-колесо-винт) и замена двигателя (парус-машина). Возможно, что это связано с появлением переходных вариантов (парусно-моторные суда, композитные корпуса и т.д.).
В то же время на представленной зависимости наблюдаются задержки в росте. Эти «ступеньки» могут быть связаны с ограничениями в подсистемах, например исчерпанием резервов повышения прочности деревянного корпуса или достижение предела эффективности паровой машины.
Кстати, к выводам о ступенчатости развития систем пришли также Sood и Tellis [ Ashish Sood and Gerard J. Tellis Understanding the Seeds of Growth: Technological Evolution and Product Innovation http://www.marshall.usc.edu/emplibrary/wp04-04.pdf, Ashish Sood & Gerard J. Tellis Technological Evolution and Radical Innovation Journal of Marketing Vol. 69 (July) 2005 152-168 ]. Однако авторы не привели обоснованных причин таких «задержек».
Но, предположительно, главной причиной задержки в развитии оказался бурный рост количества кораблей в мире. Возможно, что в этом случае силы изобретателей концентрируются не на совершенствовании ТС, а на улучшении технологии ее массового производства.
Было также показано, что процесс развития системы может быть описан с использованием комплексного параметра, который включает в себя два противоположных параметра ТС. В случае водного транспорта такими параметрами являются водоизмещение и скорость. В процессе развития эти параметры увеличиваются, как правило, не одновременно. Поэтому на зависимости комплексного параметра от времени «ступеньки» в развитии исчезают и общая зависимость описывается S- образной кривой.
Однако в случае водного транспорта наблюдается одновременная остановка увеличения обеих параметров и провал на зависимости комплексного параметра от времени. Вероятно он связан с активной конкуренцией альтернативной ТС – авиации.

Алфавитный указатель: 

Рубрики: 

Комментарии

Re: Рост и развитие транспортных ...

Изображение пользователя AlexeyF.

Здравствуйте,

При прочтении статьи возникло два вопроса:
1. Я правильно понял, приведенная статья - это раздел 3.2. какой-то книги? Если да, то какой? И как эту книгу можно достать?
2. Не заметил в статье практических выводов. Какие практические результаты дало использование этих методик? Что дает конструктору (проектировщику) приведенные графики и зависимости? Может быть это помогает сделать прогноз развития системы, но об этом в статье ничего не сказано.

---
С уважением,
Алексей

Re: Рост и развитие транспортных ...

Изображение пользователя akyn.

Уважаемый Алексей!

Действительно, данная работа является частью "Справочника по развитию ТС", примерный план которого был опубликован в самом начале проекта (2. РЕСУРСЫ РАЗВИТИЯ ТЕХНИЧЕСКИХ СИСТЕМ http://www.metodolog.ru/node/341).
Сама структура справочника подразумевает изложение фактов с их минимальной авторской интерпретацией. То есть, это материал для собственного осмысления читателями и для возможного применения в преподавании. Поэтому тексты снабжены хронологией и более подробным описанием систем.
Выводы, которые сделаны автором на основе этого материала носят дискуссионный характер и публикуются в отдельных статьях.

С уважением, Ваш АКын

Subscribe to Comments for "Рост и развитие транспортных систем"