Удивительная механика - Нурбей Гулиа

Значит, аккумуляторы-накопители здесь – шар или лейденская банка, а все устройство, включая и диск с подушками, – это не аккумулятор, а машина, электрическая машина.

Выходит, аккумулятор должен выделять энергию в том виде, в каком она была в него «заложена». Тогда он будет хранилищем энергии, «энергетической капсулой». А если форма энергии изменяется, это уже не аккумулятор, а машина. Если мы кладем на сберкнижку рубли, то рубли с нее и получаем. Действительно, сберкнижка – «аккумулятор» денег. Но допустим, что мы положили туда рубли, а получили, например, монгольские тугрики на ту же сумму. Тогда сберкнижка – уже не аккумулятор денег, а самый настоящий обменный пункт. Видимо, и энциклопедиям не всегда можно доверять, их тоже люди пишут. Хорошо, лейденская банка – уж точно аккумулятор энергии. И потомки лейденской банки – конденсаторы, без которых не обходится ни один радиоприемник или телевизор, – тоже аккумуляторы.

Порывшись в памяти, я заключил, что наряду с конденсаторами электроэнергию накапливают и катушки-электромагниты. Те самые, которые мы видим и в мощных электромагнитных подъемных кранах, перегружающих металлолом, и в электронных будильниках, я уж не говорю о том, что в каждом приемнике или телевизоре их десятки.

Правда, в конденсаторах энергия накапливается в виде электрического заряда, а в электромагнитах – в виде магнитного поля вокруг катушки.

И уж конечно, к накопителям энергии относится всем нам известный автомобильный электроаккумулятор. Вроде бы больше нет других устройств, которые могли бы накопить электроэнергию.

Позвольте, а электроутюг или электроплитка?

Подумав об утюге, я все-таки решил, что накапливает он не электричество, а тепло. Тепло переходит в утюг от раскаленной спирали или другого нагревательного элемента, питаемого электротоком: электроэнергия в спирали – преобразователе энергии – превращается в тепловую энергию, а последняя накапливается в металлической массе утюга. То же самое происходит и в электроплитках, а также любом другом электронагревательном приборе.

Но лучше всего проявляются теплоаккумулирующие свойства в обыкновенном чугунном утюге, разогреваемом на газе. Тепло от газового пламени переходит в металл утюга и довольно долго в нем сохраняется.

Стало быть, утюги, грелки и другие устройства, накапливающие тепловую энергию, можно отнести к аккумуляторам тепла.

Электромагнит – индукционный накопитель энергииПружина и поднятый груз в часах накапливают механическую потенциальную энергию

Какая еще форма энергии осталась «не охваченной» накопителями? Электроэнергия есть, тепловая тоже. Осталась, пожалуй, самая привычная – механическая энергия. Оказывается, поддается накоплению и она, причем каждый из нас является хозяином по крайней мере одного накопителя механической энергии – часовой заводной пружины. Конечно, речь идет о тех, кто носит механические, а не электронные часы. В механических часах целых два пружинных аккумулятора – заводная пружина и пружинка балансира. А если эти часы – будильник, то добавляется еще и пружина боя или звонка. Многие приборы работают на энергии пружин. Заводные игрушки, механические бритвы тоже питаются этой энергией.

Неплохой накопитель механической энергии – резиномотор, часто применяемый на летающих моделях. Я строил такие модели и даже пытался усовершенствовать их, устанавливая вместо резиномотора металлическую пружину, но, к моему удивлению, модели сразу же «разучивались» летать. Где-то я читал, что подобные модели с пружинами и воздушными винтами строил еще М. В. Ломоносов, но и у него они не взлетали. И как будто эти неудачи на некоторое время скомпрометировали идею создания летательного аппарата тяжелее воздуха. Жаль, что в то время Ломоносов не мог построить резиномотор!

На этом же свойстве резины накапливать энергию построены рогатки. В детстве я, как и многие мои сверстники, очень любил мастерить рогатки и метко стрелял из них. Помню, однажды я выиграл спор с товарищем, «расстреляв» из рогатки те подвижные мишени в тире, в которые он не смог попасть из пневматического ружья.

Правда, пневматическое ружье стреляло гораздо дальше моей рогатки, потому что сжатый воздух, который гнал пулю по стволу ружья, был гораздо «сильнее» резиновой ленточки. Отсюда я сделал вывод, что сжатый воздух как накопитель механической энергии очень и очень неплох. Молодец Армстронг, придумавший этот вид аккумулятора!

Я знал, что механическую энергию можно накопить и во вращающихся маховиках. Были у меня инерционные игрушечные автомобили: их надо было сначала поводить по столу, а потом они могли метр-два проехать сами. То есть не сами по себе, а за счет энергии, накопленной в небольшом маховике внутри игрушки. Не раз видел я точильные круги, которые после выключения мотора еще долго вертелись за счет накопленной в них кинетической энергии, и на них в это время даже можно было точить ножи.

Вращающийся точильный круг накапливает механическую кинетическую энергию

Признаться, поначалу я не очень верил в аккумулирующие возможности маховиков. Мой игрушечный маховичный автомобильчик проходил гораздо меньшее расстояние, чем заводной. К тому же, я однажды стал свидетелем – каких бед способен наделать разорвавшийся на ходу точильный круг, когда его осколки ломают все на своем пути. И я представил себе, что могла бы натворить «энергетическая капсула» с огромным запасом энергии, разорвись она, как этот точильный круг…

Вот, пожалуй, и все формы энергии, за исключением световой. Можно, конечно, как это ни покажется странным, накопить и световую энергию. Многие мои товарищи увлекались такими накопителями, даже не подозревая, что это и есть накопитель. Я имею в виду светящиеся краски, которыми окрашивают стрелки и цифры приборов, часов, иногда выключатели. Если их предварительно осветить, то потом они долго выделяют накопленную световую энергию, «горя» различными цветами. Краски эти, называемые кристаллофосфорами, очень интересно готовить самому. Я тоже их готовил, любовался сказочно красивым сиянием в темноте. Но все-таки мечтал создать «энергетическую капсулу» не для световой энергии, а для такой, которая могла бы питать автомобили и другие машины.

В итоге я наметил для себя следующие виды накопителей, из которых надлежало выбрать свой, лучший, чтобы работать над ним в дальнейшем: устройства, накапливающие механическую энергию, – поднятого груза, растянутой пружины или резины, а также сжатого газа (сюда же я отнес и маховики, накапливающие при вращении кинетическую энергию); устройства, накапливающие электрическую энергию, – конденсаторы, электромагнитные катушки и электроаккумуляторы, наподобие тех, что стоят на автомобилях; устройства, накапливающие тепловую энергию от различных нагретых тел.

Груз и струна

Для того чтобы сравнивать между собой аккумуляторы различных типов, я должен был выбрать какую-нибудь меру, или, как говорят ученые, критерий для их оценки. Можно сравнивать накопители по цене, экономичности, сложности, удобству и многим другим качествам. Но я хотел, чтобы моя «энергетическая капсула» была установлена прежде всего на автомобиле, а поэтому и сравнивать накопители решил применительно к автомобилю. На автомобилях же источником энергии для движения служит топливо, сгорающее в двигателе. И обычно говорят: «Расход топлива в таком-то автомобиле столько-то литров на 100 км пробега». Этот способ оценки автомобилей по расходу топлива на 100 км пути стал общепризнанным. Что ж, зачем искать новую меру для сравнения накопителей, когда достаточно хороша и старая. От добра, как говорится, добра не ищут. Только уж очень неудобно оценивать накопители энергии в литрах, лучше в килограммах.

В общем мерой для сравнения я принял массу в килограммах такой «энергетической капсулы», которая позволит автомобилю средней величины, например массой в 1 т, проехать путь в 100 км. Дорога при этом должна быть ровной, хорошей, без подъемов и спусков, а автомобиль должен ехать равномерно, с обычной скоростью 60—80 км/ч, без остановок, обгонов, дорожно-транспортных происшествий и прочих приключений. Иначе сравнение будет очень затруднено.

Если подсчитать силу, с которой нужно толкать или тянуть такой автомобиль, то получится около 250 Н. Эта сила была определена так. Автомобиль массой в 1 т привязали буксиром к другому автомобилю, а в буксирное устройство вставили динамометр – измеритель силы, или попросту пружинные весы. При равномерном буксировании со скоростью 60—80 км/ч динамометр показывал 250 Н.

Определение силы сопротивления движению автомобиля и совершенной им работы при прохождении 100 км пути

Работа, которую совершит автомобиль, проехав 100 км, будет равна произведению силы на путь, а именно: 25 000 Н·км. Переведя это в обычные для нас единицы работы – джоули (1 Дж = 1 Н·м), получим 25 млн Дж, или 25 МДж (мегаджоулей).