Нурбей Гулиа - В поисках «энергетической капсулы»
Как только колеса были отпущены, началось выделение энергии пружиной безмена. Сжимаясь до прежнего положения, пружина тянула нить, которая сматывалась с оси и вращала колеса «безменовоза». Разогнавшись, он проехал немалое расстояние, прежде чем остановиться.
Однако недолго я забавлялся своим «безменовозом». Спустя некоторое время руки у меня так устали растягивать пружину безмена, что пришлось отложить тележку в сторону. Да и пора было всерьез поразмыслить над пружинами – на что они способны.
Пружина навивается из стальной упругой проволоки. Растягивая пружину, мы как бы скручиваем проволоку. Если мы чрезмерно растянем пружину, она больше не вернется к прежним размерам – вытянется, испортится. А нельзя ли накапливать энергию, растягивая не пружину, а саму проволочку?
Очень даже можно, и мы это часто делаем, когда играем на струнных музыкальных инструментах.
Взять хотя бы упругую струну на гитаре. Пока струна не напряжена, провисает, сила натяга равна нулю. Чем больше мы натягиваем струну специальными натяжными устройствами – колками, тем больше сила, с которой струна сопротивляется растяжению: во сколько раз удлиняется струна, во столько же раз и растет сила. Наконец струна не выдерживает натяга и с печальным звоном лопается.
Печальный звон – это и есть выделение накопленной в струне механической потенциальной энергии. Играя на гитаре, мы, оказывается, только тем и занимаемся, что, натягивая пальцами струны, накапливаем в них потенциальную энергию, а отпуская – даем струнам возможность выделить ее, причем буквально на воздух. Но энергия, накопленная в струнах, не пропадает даром. Переданная воздуху в виде звуковых колебаний, она услаждает наш слух музыкой.
Современная высококачественная проволока, из которой делается музыкальная струна, очень прочна. Проволока сечением 1 мм2 может выдержать до 400 килограммов груза. При этом метровая проволока упруго вытянется ни мало ни много – на 2 сантиметра. Запас потенциальной энергии в такой проволоке будет равен произведению средней силы на удлинение, то есть почти 35 джоулям. Объем этой проволоки легко вычислить, он равен всего 1 см3, а масса – около 8 граммов.
Если мы поделим энергию на массу, то получим весьма важный показатель для оценки аккумуляторов – удельную энергоемкость, или плотность энергии. Этот показатель характеризует, сколько энергии сможет накопить каждый килограмм массы аккумулятора. Я постарался как следует запомнить его, так как понимал, что он очень пригодится мне в дальнейшем. А пока выяснил, что для музыкальной струны он будет около 4 тысяч джоулей на килограмм, или 4 килоджоуля на килограмм.
Крупный концертный рояль, например, накапливает в своих струнах столько энергии, что ее хватило бы для передвижения его на несколько десятков метров! Правда, рояль пришлось бы поставить на велосипедные колеса, чтобы облегчить «ход». А чемпионом в такой поездке на энергии натянутых струн была бы, пожалуй, арфа. Струн у нее почти столько, сколько у рояля, но во сколько раз меньше вес!
Конечно, музыкальная струна – это уникальный, дорогой материал. Для обычных стальных пружинных материалов плотность энергии снизится более чем вдвое. Учитывая, что материал пружин напряжен неравномерно, а также сделав поправку на необходимый в любом случае коэффициент запаса прочности, я подсчитал, что каждый килограмм пружины накопит не более 0,5 килоджоуля энергии. Значит, автомобиль массой в 1 тонну для прохождения 100 километров пути должен иметь пружинный аккумулятор массой... 50 тонн!
А как же все-таки передвигались старинные королевские пружинные экипажи? Впоследствии в одной из книг я прочитал, что их в поте лица своего постоянно «подзаводили» сильные работники, хорошо спрятанные среди золоченой мишуры колесниц. Иначе бы не пройти им и десятка метров. Вот и весь секрет!
Итак, пружины тоже пришлось вычеркнуть. Претендентов на «капсулу» все меньше и меньше.
Резина побеждает сталь
Жаль было расставаться с пружинами, но моих надежд они явно не оправдали. Я должен был это предвидеть, из пружины даже рогатки толковой не изготовишь. Когда-то я пытался заменить резиновые жгуты в рогатке на тонкие пружины, намереваясь построить «сверхрогатку», но получился конфуз. Под смех товарищей моя «сверхрогатка» выплюнула камень мне в ноги. Выходит, не так уж плоха резина и для рогаток и для резиномоторов. И ведь используется здесь именно свойство резины накапливать энергию.
На первый взгляд кажется: ну что за материал резина по сравнению с прочнейшей проволокой? Но это только на первый взгляд. Проверим все в цифрах. Чтобы вытянуть резиновый жгут сечением сантиметр на сантиметр вдвое, нужно приложить силу около 200 ньютонов. Я вычислил это, подвешивая к жгуту различные грузы. А до разрыва хорошая резина из натурального каучука растянется раза в четыре, не меньше.
Метровый резиновый жгут такого сечения имеет массу чуть больше ста граммов, а накопит при полном растяжении около 3 килоджоулей энергии. Стало быть, плотность энергии резины как аккумулятора, достигающая 30 килоджоулей на килограмм, превышает почти в сто раз этот показатель у пружин! Вот, оказывается, почему модели с резиномоторами летают, а с пружинным мотором еще ни одна модель не взлетела в воздух. Этим объясняется и мой конфуз с пружинной «сверхрогаткой».
Какова же будет масса резинового аккумулятора, пригодного для автомобиля? Необходимые 25 мегаджоулей энергии наберут всего около 900 килограммов резины. Это уже не 50 тонн! Над таким аккумулятором можно и поработать.
Основная трудность, с которой пришлось столкнуться, – это как преобразовать вытяжку резины во вращательное движение вала. Ведь в конечном итоге накопленная энергия должна вращать вал. Если вращения не нужно, то все гораздо проще. Вот в подводном ружье или в той же рогатке резина тоже аккумулирует энергию. Но все обходится ее растяжением, и это очень облегчает задачу. В резиномоторах для моделей жгут из тонких резиновых нитей закручивают. Кто изготовлял такие резиномоторы, знает, как перекручивается жгут при заводке мотора, как трутся петли резины друг о друга. Их даже смазывают касторкой, чтобы уменьшить трение. В результате – много потерь энергии, быстрый износ. Для модели это не так уж важно, а для настоящих машин, где огромное значение имеют коэффициент полезного действия – КПД и долговечность, совершенно неприемлимо.
Итак, резину нужно только растягивать. Первой мыслью, конечно, было привязать к концу резинового жгута веревку и наматывать ее на вал, который должен вращаться.
Я так и сделал. Превратить «безменовоз» в «резиновоз» было делом получаса. Под днищем тележки я закрепил конец резинового жгута, ко второму концу привязал шнурок, а шнурок намотал на ось колеса – и нехитрый привод был готов. Стоило прокрутить колеса тележки в обратную сторону, как резина растягивалась, накапливая энергию, которая затем двигала «резиновоз», когда я ставил его на пол. Я убедился, что как транспортная машина он гораздо лучше «безменовоза»: и проходит большее расстояние, и движется плавнее.
Но для реальной машины это не подходит. Если даже изготовить толстенный резиновый жгут сечением в квадратный дециметр, то для накопления нужной энергии он должен быть длиной не менее 100 метров! Растянется же этот жгут почти на целый километр. Это не то что на автомобиль, на поезд не поместится.
Если перекидывать жгут через блоки, как трос в подъемных кранах, то, хотя мы и сократим его длину, почти всю накопленную энергию «съедят» потери в блоках. Ведь резина – не стальной трос, она сильно растягивается, и при огибании блока жгут будет так тереться об его поверхность, что потери энергии, как и износ резины, неминуемы.
И еще. Сам по себе жгут сечением в квадратный дециметр, растягиваясь, может развивать силу в несколько тонн. Перекинув жгут через блоки, мы как бы складываем его раз в сто (чтобы сократить километровую длину хотя бы до пригодных для автомобиля десяти метров), при этом усилие растяжения достигнет сотен тонн. Этакая сила запросто «сложит» автомобиль, совсем как трубу телескопа. Подобные аварии машин так и называются – «телескопирование».
Да, неразрешимая проблема. Всем хороша резина, но слишком уж неудобна в обращении...
И тут совершенно неожиданно мне в голову пришла удачная мысль: если навить резиновый жгут на очень скользкий цилиндр (представим себе, что мы имеем такой идеально скользкий цилиндр), как на катушку, по спирали, то можно сильно сократить длину устройства. К тому же все усилие растяжения резины «перейдет» во вращение вала, не понадобится никаких дополнительных механизмов и нечего бояться, что автомобиль «телескопирует». Допустим, диаметр цилиндра будет всего полметра, тогда на каждый метр его длины ляжет не менее 30 слоев жгута, который сильно сузится при растяжении. Это уже составит около 50 метров растянутой резины. Километр уляжется на 20 метрах цилиндра, сделав при этом 600 оборотов.
