Введение

Мобильное оборудование, предназначенное для перевозки людей, животных или грузов – средства транспортировки.

Транспортное средство – это машина, предназначенная для самопривода, как правило, для перевозки людей, грузов или и того, и другого. К транспортным средствам относятся вагоны, велосипеды, моторизованные транспортные средства (мотоциклы, автомобили, грузовики, автобусы, электросамокаты), рельсовый транспорт (поезда, трамваи), водные суда (корабли, лодки, подводные аппараты), амфибийные транспортные средства (винтовые машины, суда на воздушной подушке), воздушные суда (самолеты, вертолеты, аэростаты) и космические аппараты. Наземные транспортные средства можно классифицировать, в основном, по типу контакта с поверхностью: колеса, гусеницы, рельсы или лыжи. ISO 3833:1977 является международным стандартом для типов, терминов и определений автомобильных транспортных средств.

Типы транспортных средств

Во всем мире используется более 1 миллиарда велосипедов. В 2002 году в мире насчитывалось около 590 миллионов автомобилей и 205 миллионов мотоциклов. Было произведено по меньшей мере 500 миллионов китайских велосипедов Flying Pigeon, что больше, чем любая другая отдельная модель транспортного средства. Самой массовой моделью автотранспорта является мотоцикл Honda Super Cub, продажи которого в 2008 году составили 60 миллионов единиц. Самой массовой моделью автомобиля является Toyota Corolla, было произведено не менее 35 миллионов экземпляров к 2010 году. Самым распространенным самолетом с неподвижным крылом является Cessna 172, построено около 44 000 штук по состоянию на 2017 год. Советский вертолет Ми-8, в количестве 17 000 единиц, является самым массовым вертолетом. Самый популярный коммерческий реактивный авиалайнер – Boeing 737, в 2018 году было выпущено около 10 000 самолетов. Трамваи KTM 5 и Tatra T3 являются самыми массовыми, их было выпущено около 14 000 штук. Самым распространенным троллейбусом является ZiU 9.

Движение

Локомоция включает в себя средства для перемещения с минимальным сопротивлением, источник энергии для обеспечения необходимой кинетической энергии и средства управления движением, такие как тормозная система и рулевое управление. Подавляющее большинство транспортных средств используют колеса, которые, применяя принцип качения, обеспечивают перемещение с очень малым сопротивлением качению.

Источник энергии

Для транспортного средства необходим источник энергии, обеспечивающий его движение. Энергию можно получать из внешних источников, как в случае с парусником, автомобилем на солнечной энергии или электрическим трамваем, использующим контактную сеть. Энергию также можно накапливать, при условии, что её можно преобразовывать по требованию, а удельная энергия и удельная мощность накопителя достаточны для удовлетворения потребностей транспортного средства. Человеческая сила – это простой источник энергии, не требующий ничего, кроме самих людей. Несмотря на то, что люди не могут поддерживать высокую скорость в течение продолжительного времени, рекорд скорости наземного транспортного средства с человеческим приводом (без помощи внешних сил) составляет , по состоянию на 2009 год, на лежачем велосипеде. Источником энергии, используемым для привода транспортных средств, является топливо. Двигатели внешнего сгорания могут использовать практически любое горючее вещество, в то время как двигатели внутреннего сгорания и ракетные двигатели предназначены для сжигания конкретного топлива, обычно бензина, дизельного топлива или этанола. Пища является топливом для немоторизованных транспортных средств, таких как велосипеды, рикши и другие транспортные средства, приводимые в движение человеком. Распространенным способом накопления энергии являются аккумуляторы, обладающие такими преимуществами, как быстродействие, применимость в широком диапазоне мощностей, экологичность, эффективность, простота установки и обслуживания. Аккумуляторы также облегчают использование электродвигателей, которые имеют свои собственные преимущества. С другой стороны, аккумуляторы имеют низкую удельную энергию, ограниченный срок службы, ухудшение характеристик при экстремальных температурах, длительное время зарядки и трудности с утилизацией (хотя их обычно можно перерабатывать). Как и топливо, аккумуляторы накапливают химическую энергию и могут вызвать ожоги и отравление в случае аварии. Со временем аккумуляторы также теряют свою эффективность. Проблему времени зарядки можно решить путем замены разряженных аккумуляторов на заряженные, однако это влечет за собой дополнительные аппаратные затраты и может быть непрактично для больших аккумуляторов. Кроме того, для организации замены аккумуляторов на заправочных станциях необходимы стандартизированные аккумуляторы. Топливные элементы аналогичны аккумуляторам в том, что они преобразуют химическую энергию в электрическую, но имеют свои преимущества и недостатки. Электрифицированные рельсы и воздушные линии – распространенный источник электрической энергии для метрополитена, железных дорог, трамваев и троллейбусов. Солнечная энергия – более современная разработка, и несколько солнечных транспортных средств были успешно построены и испытаны, включая Helios – самолет на солнечной энергии. Ядерная энергия – более эксклюзивная форма накопления энергии, в настоящее время ограниченная крупными кораблями и подводными лодками, в основном военного назначения. Ядерная энергия может быть высвобождена ядерным реактором, ядерной батареей или путем многократного взрыва ядерных бомб. Было проведено два эксперимента с самолетами, работающими на ядерной энергии: Туполев Ту-119 и Convair X-6. Механическое напряжение – еще один метод накопления энергии, при котором эластичная лента или металлическая пружина деформируется и высвобождает энергию при возвращении в исходное состояние. Системы, использующие эластичные материалы, подвержены гистерезису, а металлические пружины слишком плотны для использования во многих случаях. Маховики накапливают энергию во вращающейся массе. Поскольку легкий и быстро вращающийся ротор энергетически выгоден, маховики могут представлять значительную опасность. Кроме того, маховики довольно быстро теряют энергию и влияют на управляемость транспортного средства из-за гироскопического эффекта. Они экспериментально использовались в гиробусах. Энергия ветра используется парусниками и наземными яхтами в качестве основного источника энергии. Она очень дешева и относительно проста в использовании, основными проблемами являются зависимость от погодных условий и эффективность при движении против ветра. Воздушные шары также полагаются на ветер для горизонтального перемещения. Самолеты, летящие в струйных течениях, могут получать дополнительный импульс от высотных ветров. Сжатый газ в настоящее время является экспериментальным методом накопления энергии. В этом случае сжатый газ просто хранится в резервуаре и выпускается при необходимости. Как и эластичные материалы, он подвержен гистерезисным потерям при нагревании газа во время сжатия. Потенциальная энергия гравитации – это форма энергии, используемая в планерах, лыжах, санях и многих других транспортных средствах, движущихся под уклон. Рекуперативное торможение – это пример улавливания кинетической энергии, когда тормоза транспортного средства дополняются генератором или другими средствами извлечения энергии.

Моторы и двигатели

При необходимости энергия извлекается из источника и потребляется одним или несколькими двигателями. Иногда используется промежуточная среда, например, аккумуляторы дизельной подводной лодки. Большинство автотранспортных средств оснащены двигателями внутреннего сгорания. Они относительно дешевы, просты в обслуживании, надежны, безопасны и компактны. Поскольку эти двигатели сжигают топливо, они обеспечивают большой запас хода, но загрязняют окружающую среду. Двигатель с внешним сгоранием является смежным типом. Примером является паровой двигатель. Помимо топлива, паровым двигателям также требуется вода, что делает их непрактичными для некоторых применений. Паровым двигателям также необходимо время на прогрев, в то время как двигатели внутреннего сгорания обычно могут работать сразу после запуска, хотя это может быть не рекомендовано в холодную погоду. Паровые двигатели, работающие на угле, выделяют в атмосферу серу, вызывая вредные кислотные дожди. Хотя прерывистые двигатели внутреннего сгорания когда-то были основным средством авиационного движителя, они в значительной степени уступили место двигателям непрерывного действия, таким как газовые турбины. Турбинные двигатели легки и, особенно при использовании в авиации, эффективны. С другой стороны, они дороже и требуют тщательного обслуживания. Они также могут быть повреждены при попадании посторонних предметов и производят горячий выхлоп. Поезда, использующие турбины, называются газотурбинными электровозами. Примерами наземных транспортных средств, использующих турбины, являются M1 Abrams, MTT Turbine SUPERBIKE и Millennium. Импульсные воздушно-реактивные двигатели во многом похожи на турбореактивные, но почти не имеют движущихся частей. По этой причине они были привлекательны для конструкторов транспортных средств в прошлом; однако их шум, тепловыделение и неэффективность привели к их отказу от использования. Историческим примером использования импульсного воздушно-реактивного двигателя является летающая бомба V-1. Импульсные воздушно-реактивные двигатели все еще иногда используются в любительских экспериментах. С появлением современных технологий импульсный детонационный двигатель стал практически реализуемым и был успешно испытан на Rutan VariEze. Хотя импульсный детонационный двигатель намного эффективнее импульсного воздушно-реактивного и даже турбинных двигателей, он все еще страдает от экстремального уровня шума и вибрации. Прямоточные воздушно-реактивные двигатели (рамджеты) также имеют мало движущихся частей, но работают только на высоких скоростях, поэтому их применение ограничено вертолетами с воздушно-реактивным двигателем на законцовках лопастей и высокоскоростными самолетами, такими как Lockheed SR-71 Blackbird. Ракетные двигатели в основном используются на ракетах, ракетных санях и экспериментальных самолетах. Ракетные двигатели обладают огромной мощностью. Самый тяжелый аппарат, когда-либо поднимавшийся в воздух, ракета Saturn V, приводился в движение пятью ракетными двигателями F-1, суммарно развивающими 180 миллионов лошадиных сил (134,2 гигаватта). Ракетным двигателям также не требуется "отталкиваться" от чего-либо, что ошибочно отрицала газета New York Times. Ракетные двигатели могут быть особенно простыми, иногда состоящими всего лишь из катализатора, как в случае ракеты на перекиси водорода. Это делает их привлекательным вариантом для транспортных средств, таких как реактивные ранцы. Несмотря на свою простоту, ракетные двигатели часто опасны и склонны к взрывам. Топливо, которое они используют, может быть легковоспламеняющимся, ядовитым, коррозионным или криогенным. Они также характеризуются низкой эффективностью. По этим причинам ракетные двигатели используются только в случае крайней необходимости. Электродвигатели используются в электромобилях, таких как электрические велосипеды, электросамокаты, небольшие лодки, метро, поезда, троллейбусы, трамваи и экспериментальные самолеты. Электродвигатели могут быть очень эффективными: эффективность свыше 90% является обычным явлением. Электродвигатели также могут быть изготовлены мощными, надежными, с минимальным обслуживанием и любого размера. Электродвигатели могут обеспечивать широкий диапазон скоростей и крутящих моментов без необходимости использования коробки передач (хотя использование коробки передач может быть более экономичным). Использование электродвигателей ограничено главным образом сложностью обеспечения электроэнергией. Двигатели, работающие на сжатом газе, экспериментально использовались на некоторых транспортных средствах. Они просты, эффективны, безопасны, дешевы, надежны и работают в различных условиях. Одной из трудностей при использовании газовых двигателей является охлаждающий эффект расширяющегося газа. Эти двигатели ограничены скоростью поглощения тепла из окружающей среды. Однако охлаждающий эффект может служить и как система кондиционирования воздуха. Двигатели, работающие на сжатом газе, также теряют эффективность при падении давления газа. Ионные двигатели используются на некоторых спутниках и космических аппаратах. Они эффективны только в вакууме, что ограничивает их применение космическими аппаратами. Ионные двигатели работают в основном от электричества, но также требуют рабочего тела, такого как цезий или, в последнее время, ксенон. Ионные двигатели могут достигать чрезвычайно высоких скоростей и расходовать мало рабочего тела; однако они энергоемки.

Преобразование энергии в работу

Механическая энергия, производимая двигателями и машинами, должна преобразовываться в работу с помощью колёс, пропеллеров, сопел или аналогичных средств. Помимо преобразования механической энергии в движение, колёса позволяют транспортному средству катиться по поверхности и, за исключением рельсового транспорта, управляться. Колёса – древняя технология, образцы которой были обнаружены более 5000 лет назад. Колёса используются в огромном количестве транспортных средств, включая автомобили, бронетранспортёры, амфибии, самолёты, поезда, скейтборды и тачки. Сопла используются в сочетании с почти всеми реактивными двигателями. Транспортные средства, использующие сопла, включают реактивные самолёты, ракеты и персональные водные транспортные средства. Хотя большинство сопел имеют форму конуса или колокола, вместо колёс иногда используется непрерывная гусеница для приведения в движение наземных транспортных средств. Непрерывная гусеница обладает преимуществами большей площади контакта, простоты ремонта при незначительных повреждениях и высокой манёвренности. Примерами транспортных средств, использующих непрерывную гусеницу, являются танки, снегоходы и экскаваторы. Использование двух гусениц вместе позволяет осуществлять управление. Самый большой наземный транспорт в мире, Bagger 293, приводится в движение непрерывной гусеницей. Пропеллеры (а также винты, вентиляторы и роторы) используются для передвижения в жидкости. Винты использовались в качестве игрушек с древних времен, однако именно Леонардо да Винчи разработал один из первых аппаратов с винтовым движителем – «воздушный винт». В 1661 году Toogood & Hays адаптировали винт для использования в качестве судового пропеллера. С тех пор пропеллер испытывался на многих наземных транспортных средствах, включая поезд Schienenzeppelin и множество автомобилей. В настоящее время пропеллеры наиболее распространены на водных судах и самолётах, а также на некоторых амфибиях, таких как экранопланы и суда на воздушной подушке. Интуитивно понятно, что пропеллеры не могут работать в космосе из-за отсутствия рабочей среды, однако некоторые источники предполагают, что поскольку пространство никогда не бывает абсолютно пустым, пропеллер можно заставить работать в космосе. Подобно транспортным средствам с пропеллерами, некоторые транспортные средства используют крылья для создания тяги. Парусные лодки и планеры приводятся в движение передней составляющей подъёмной силы, создаваемой их парусами/крыльями. Орнитоптеры также создают тягу аэродинамическим путём. Орнитоптеры с большими закруглёнными передними кромками создают подъёмную силу за счёт сил всасывания передней кромки. Исследования, проведённые в Институте аэрокосмических исследований Университета Торонто, привели к полёту настоящего орнитоптера 31 июля 2010 года. Гребные колёса используются на некоторых старых водных судах и их реконструкциях. Эти суда были известны как гребные пароходы. Поскольку гребные колёса просто отталкиваются от воды, их конструкция и изготовление очень просты. Самый старый из таких судов, находящийся в регулярной эксплуатации, – Skibladner. Многие педальные лодки также используют гребные колёса для движения. Транспортные средства с винтовым движителем приводятся в движение цилиндрами, похожими на буры, оснащёнными спиральными лопастями. Поскольку они могут создавать тягу как на суше, так и на воде, они часто используются на вездеходах. ZiL 2906 был советским винтовым транспортным средством, предназначенным для эвакуации космонавтов из сибирской глуши.

Трещины

Вся или почти вся полезная энергия, производимая двигателем, обычно рассеивается в виде трения, поэтому минимизация потерь на трение очень важна для многих транспортных средств. Основными источниками трения являются трение качения и сопротивление жидкости (воздушное или водное сопротивление). Колеса имеют низкое трение в подшипниках, а пневматические шины обеспечивают низкое сопротивление качению. Стальные колеса на стальных рельсах демонстрируют еще меньшее сопротивление. Аэродинамическое сопротивление можно уменьшить за счет обтекаемой конструкции. Трение полезно и необходимо для обеспечения сцепления с дорогой и облегчения движения по суше. Большинство наземных транспортных средств полагаются на трение для ускорения, замедления и изменения направления движения. Резкое снижение сцепления с дорогой может привести к потере управления и авариям.

Рулевое управление

Большинство транспортных средств, за исключением рельсового транспорта, имеют как минимум один механизм управления. Колёсные транспортные средства управляются за счёт наклона передних или задних колёс. B 52 Stratofortress имеет особую конструкцию, в которой можно менять угол наклона всех четырёх основных колёс. Полозья также могут использоваться для управления, изменяя их угол, как, например, у снегохода. Корабли, лодки, подводные лодки, дирижабли и самолёты обычно используют руль для управления. В самолёте элероны используются для создания крена, обеспечивающего управление направлением, иногда с помощью руля направления.

Остановить

Без подачи энергии большинство транспортных средств останавливаются из-за трения. Однако часто требуется остановить транспортное средство быстрее, чем только за счет трения, поэтому почти все транспортные средства оснащены тормозной системой. Колёсные транспортные средства обычно оснащаются фрикционными тормозами, которые используют трение между тормозными колодками (статорами) и тормозными дисками для замедления. Космический челнок также использует фрикционные тормоза на колёсах. Помимо фрикционных тормозов, гибридные и электрические автомобили, троллейбусы и электровелосипеды могут также использовать рекуперативные тормоза для возврата части кинетической энергии транспортного средства. Помимо тормозов шасси, большинство крупных самолётов имеют и другие способы замедления. В авиации воздушные тормоза – это аэродинамические поверхности, создающие тормозящую силу за счёт увеличения лобовой площади и, следовательно, аэродинамического сопротивления. Обычно они выполнены в виде закрылков, которые выдвигаются навстречу воздушному потоку и убираются в обтекаемые ниши. Обратная тяга также используется во многих авиационных двигателях. Винтовые самолёты достигают обратной тяги, изменяя шаг винта, а реактивные – перенаправляя выхлопные газы вперёд. На авианосцах для остановки самолётов используются аэрофинишеры. Пилоты могут даже сразу же давать полную тягу при касании полосы, если аэрофинишер не сработал и требуется уход на второй круг. Парашюты используются для замедления транспортных средств, движущихся с очень высокой скоростью. Парашюты применялись в наземных, воздушных и космических аппаратах, таких как ThrustSSC, Eurofighter Typhoon и командный модуль Apollo. Некоторые старые советские пассажирские самолёты имели тормозные парашюты для аварийных посадок. Лодки используют аналогичные устройства, называемые морскими якорями, для поддержания устойчивости в неспокойном море. Для дальнейшего увеличения скорости замедления или в случае отказа тормозов могут использоваться различные механизмы для остановки транспортного средства. Автомобили и железнодорожный подвижной состав обычно оснащены ручными тормозами, которые, хотя и предназначены для фиксации уже припаркованного транспортного средства, могут обеспечить ограниченное торможение в случае отказа основных тормозов. Также иногда используется дополнительный приём, называемый «скольжением боком», для замедления самолётов путем полёта под углом, что увеличивает сопротивление воздуха.

Лицензирование

Во многих случаях управление транспортным средством без лицензии или сертификата является незаконным. Наименее строгая форма регулирования обычно ограничивает число пассажиров, которых водитель может перевозить, или полностью запрещает их (например, канадская лицензия на ультралегкий самолет без дополнительных допусков). Следующий уровень лицензирования может разрешать перевозку пассажиров, но без какой-либо компенсации или оплаты. Частные водительские права обычно имеют такие условия. Коммерческие лицензии, разрешающие перевозку пассажиров и грузов, регулируются более строго. Наиболее строгая форма лицензирования обычно предназначена для школьных автобусов, перевозки опасных грузов и транспортных средств экстренных служб. Водитель автотранспортного средства, как правило, обязан иметь действующие водительские права во время движения по общественным землям, в то время как пилот воздушного судна должен иметь лицензию постоянно, независимо от того, в какой юрисдикции выполняется полет.

Регистрация

Транспортные средства часто подлежат регистрации. Регистрация может быть необходима по юридическим причинам, для целей страхования или для содействия правоохранительным органам в розыске угнанных транспортных средств. Например, полиция Торонто предлагает бесплатную и добровольную онлайн-регистрацию велосипедов. В случае с автотранспортными средствами регистрация обычно осуществляется в виде регистрационного номера, что облегчает идентификацию транспортного средства. В России на грузовых автомобилях и автобусах номера государственных регистрационных знаков дублируются большими черными буквами на корме. На воздушных судах используется аналогичная система, когда бортовой номер наносится на различные поверхности. Как и автомобили и самолеты, водные суда в большинстве юрисдикций также имеют регистрационные номера; однако название судна по-прежнему остается основным средством идентификации, как это было с древнейших времен. По этой причине повторные регистрационные имена обычно не допускаются. В Канаде лодки с двигателем мощностью 10 лошадиных сил и более подлежат регистрации, что привело к повсеместному использованию обозначения "10 л.с.". Регистрация может быть обусловлена одобрением транспортного средства для использования на дорогах общего пользования, как это происходит в Великобритании и Онтарио. Многие штаты США также предъявляют требования к транспортным средствам, эксплуатируемым на дорогах общего пользования. К самолетам предъявляются более строгие требования, поскольку в случае аварии они представляют высокую опасность для жизни и имущества людей. В США Федеральное управление гражданской авиации (FAA) требует, чтобы самолеты имели сертификат летной годности. Поскольку американские самолеты должны совершать полеты в течение определенного времени, прежде чем они будут сертифицированы, предусмотрена возможность выдачи экспериментального сертификата летной годности. Эксплуатация экспериментальных самолетов FAA ограничена, в частности, запрещены полеты над населенными пунктами, в оживленном воздушном пространстве или с лишними пассажирами на борту.

Обязательное оборудование безопасности

Во многих юрисдикциях водитель транспортного средства юридически обязан иметь при себе средства безопасности. Распространенные примеры включают ремни безопасности в автомобилях, шлемы на мотоциклах и велосипедах, огнетушители на лодках, автобусах и самолетах, а также спасательные жилеты на лодках и коммерческих самолетах. Пассажирские самолеты оснащены значительным количеством средств безопасности, включая надувные трапы, плоты, кислородные маски, кислородные баллоны, спасательные жилеты, спутниковые маяки и аптечки первой помощи. Эффективность некоторых средств, таких как спасательные жилеты, вызывает дискуссии. В случае с рейсом 961 Ethiopian Airlines спасательные жилеты помогли спасти многих людей, но также стали причиной гибели пассажиров, которые преждевременно активировали их.

Право прохода

Существуют специальные соглашения об использовании недвижимости, позволяющие транспортным средствам перемещаться из одного места в другое. Наиболее распространёнными являются общественные дороги, по которым транспортные средства с соответствующими разрешениями могут двигаться беспрепятственно. Эти дороги находятся на государственных землях и обслуживаются правительством. Аналогично, платные трассы открыты для публичного пользования после оплаты проезда. Эти маршруты и земля под ними могут находиться в государственной, частной собственности или в смешанной форме. Некоторые маршруты принадлежат частным лицам, но предоставляют доступ для общего пользования. На таких маршрутах часто размещают предупреждающие знаки, указывающие на отсутствие государственного обслуживания. Примером этого служат просёлочные дороги в Англии и Уэльсе. В Шотландии земельные участки открыты для немоторизованных транспортных средств при соблюдении определенных критериев. Государственные земли иногда разрешены для использования внедорожной техникой. На государственных землях США Бюро по управлению земельными ресурсами (BLM) определяет места, где разрешено использование транспортных средств. Железные дороги часто проходят по землям, не принадлежащим железнодорожной компании. Право пользования этими землями предоставляется железнодорожной компании посредством таких механизмов, как сервитут. Водным судам обычно разрешено свободно плавать по общественным водам, если это не создает помех. Однако проход через шлюз может потребовать оплаты. Несмотря на общепринятый принцип права *Cuius est solum, eius est usque ad coelum et ad inferos* о владении всем пространством над своей собственностью, Верховный суд США постановил, что воздушные суда в США имеют право использовать воздушное пространство над чужой собственностью без согласия владельца. Хотя это правило обычно применяется во всех юрисдикциях, некоторые страны, такие как Куба и Россия, воспользовались правом на использование воздушного пространства на национальном уровне для получения дохода. Существуют зоны, над которыми полёты воздушных судов запрещены. Это называется запрещённым воздушным пространством. Запрещённое воздушное пространство обычно строго охраняется из-за потенциальной угрозы шпионажа или нападения. В случае с рейсом 007 авиакомпании Korean Air, самолёт вторгся в запрещённое воздушное пространство над советской территорией и был сбит при выходе из него.