Удивительная механика - Нурбей Гулиа

Энергия… в воздухе!

«Бесполезно было ждать от резины энергии больше, чем она в состоянии накопить», – успокаивал я себя, глядя на предмет моей гордости – авторское свидетельство на изобретение «резиноаккумулятора». Мне удавалось растягивать жгут лишь до известных пределов, в конце концов резина не выдерживала и лопалась. При этом вся накопленная энергия «вылетала» из нее, как пробка из бутылки шампанского.

А кстати, почему вылетает пробка из бутылки с шампанским? Потому же, почему и пуля из пневматического ружья. Сжатый газ способен совершать работу благодаря накопленной в нем энергии. Той самой потенциальной энергии, что запасалась в устройствах, которые я мастерил раньше. Воздух, как и любой газ, обладает упругостью. Более того, воздух, например, можно сжимать гораздо сильнее, в большее число раз, чем растягивать пружину или резину. Хорошо, если пружину удается растянуть вдвое; резину иногда растягивают раз в пять-шесть. А воздух сжимай хоть в 500 раз – ничего ему не сделается. То есть в сжатом воздухе, если рассуждать теоретически, можно накопить огромную энергию. Но газ не поддается сжатию сам по себе, нужен сосуд – баллон, в котором этот газ находился бы. Баллон должен быть очень прочным, иначе его разорвет давление.

А прочные вещи всегда тяжелые, поэтому сам баллон, как правило, намного тяжелее, чем газ внутри него. Правда, и газ, сжатый, например, в 500 раз, нелегок – по плотности он уже приближается к жидкости…

Но все-таки, сколько энергии сумеет накопить сжатый воздух? Может ли он претендовать на звание «энергетической капсулы»? Я, наверное, первый раз в жизни листал свой школьный учебник по физике с таким нетерпением, прежде чем нашел то, что искал.

Сжатый газ в баллоне выделяет энергию, вращая пневмодвигатель

Чтобы узнать, сколько энергии накоплено в газе, нужно умножить его давление на объем. Кубометр воздуха весит чуть больше килограмма. Допустим, мы сожмем воздух в 500 раз, его давление будет – 500 атм, или около 50 МПа (мегапаскалей). Тогда весь кубометр воздуха уместится в сосуде емкостью 2 литра. Если предположить, что баллон весит примерно столько же, сколько и воздух (а это должен быть очень хороший крепкий баллон!), значит, на каждый килограмм баллона придется только около литра сжатого воздуха. Но этот литр, или одна тысячная кубометра, умноженный на 50 МПа, даст в результате 50 кДж энергии!

Совсем неплохой показатель – 50 кДж/кг! Плотность энергии почти вдвое выше, чем у лучшей резины. И долговечность такого аккумулятора очень высока – воздух не резина, он не изнашивается. Масса воздушного аккумулятора для автомобиля будет всего 500 кг. Его уже вполне можно установить на автомобиле в качестве двигателя.

Окрыленный этим открытием, я поспешил поделиться радостью со своим приятелем. Но тот в ответ лишь ухмыльнулся и сунул мне под нос только что полученный журнал, где говорилось, что не так давно итальянцы построили автомобиль-воздуховоз, способный с одной заправки воздухом пройти более 100 км.

Автомобиль-пневмокар, работающий на потенциальной энергии сжатого в баллонах газа

Вскоре выяснилось, что и это далеко не новость. Еще в позапрошлом веке во французском городе Нанте ходил трамвай, работавший от баллонов со сжатым воздухом. Десяти баллонов воздуха, сжатого всего до 3 МПа, при общем объеме 2800 л, трамваю хватало, чтобы проходить на накопленной в воздухе энергии путь в 10—12 км.

В США уже в начале прошлого века был изготовлен автомобиль-пневмокар, работавший на энергии сжатого воздуха.

Все равно я решил построить модель такого воздуховоза, чтобы самому убедиться в преимуществах и недостатках воздушного аккумулятора. Как мне представлялось, модель автомобиля-воздуховоза сделать несложно. По моим расчетам, для этого нужен был углекислотный огнетушитель, например автомобильный, который выбрасывает струю газа, а не пены, и тяговый пневмодвигатель, скажем, от воздушной дрели или гайковерта.

Но, увы, первое же испытание воздуховоза разочаровало меня. Я направил сжатый углекислый газ из огнетушителя в пневмодвигатель, а тот, чуть-чуть поработав… замерз. Да-да, покрылся инеем и остановился!

Объяснение этому поразительному явлению я нашел в том же учебнике физики.

В принципе любой сжатый газ при резком расширении сильно охлаждается. Когда я, ничего не подозревая, крутанул вентиль баллона сразу до отказа, и газ под большим давлением вырвался из отверстия, расширение оказалось столь интенсивным, что газ стал превращаться в снег. Не обычный, а углекислотный, с очень низкой температурой. Такой снег, только спрессованный, часто называют «сухим льдом», потому что он переходит в газ, минуя жидкую фазу. Мне не раз приходилось видеть «сухой лед», когда я покупал мороженое. Но главное – охлаждение значительно снизило запас энергии в сжатом газе. Ведь давление газа при охлаждении стремительно падает, а значит, уменьшается и количество выделяемой энергии. Это и послужило основной причиной остановки пневмодвигателя.

Можно, конечно, нагреть охлажденный газ, чтобы вернуть ему прежнюю температуру. Но ведь нагрев – затрата энергии. Газ когда-то сжимали, закачивая в баллон. Тут-то он и нагревался: газы, как известно, при сжатии нагреваются. Вот если бы горячий газ сразу же был пущен в работу, тогда бы он охладился до исходной температуры. А при хранении баллон с горячим газом в конце концов остывает, принимает температуру окружающего воздуха. Отсюда, за счет расширения, и столь сильное охлаждение газа при выходе его из баллона, отсюда и «сухой лед».

Как ни горько мне было читать об этом в учебнике, но это было правдой, подтвержденной моим собственным опытом по «замораживанию» пневмодвигателя. Вроде бы и учился я неплохо, по физике имел только «отлично», однако почему-то начисто забыл о тех явлениях, которые на уроках в школе казались мне такими простыми и понятными.

Тем не менее с воздушным аккумулятором надо было что-то предпринимать.

В помощь воздуху – масло

Прослеживая мысленно все этапы работы аккумулятора, я вдруг понял, что под впечатлением своей неудачи с воздуховозом упустил из виду очень существенный момент. Действительно, решив бороться с расширением и охлаждением газа после выхода его из баллона, я совсем не подумал о том, что почти то же самое происходит одновременно и внутри баллона. С каждым мгновением газа в нем становится все меньше и меньше, газ все больше расширяется, давление его падает, а следовательно, снижается и количество выделяемой энергии. И если сначала мы получаем с литра сжатого газа огромную энергию, то потом, когда давление его приближается к атмосферному, в аккумуляторе уже не энергия, а пшик.

Хорошо бы не давать газу расширяться так сильно, подумал я. Допустим, с 50 МПа довести давление этак до 20 и на этом остановиться. Не так уж и трудно это сделать, если, например, взять цилиндрический баллон и начать перемещать внутри него поршень. И охлаждение было бы значительно меньше, и газ можно было бы не выпускать в атмосферу, оставляя его все в том же герметичном баллоне, просто увеличивая его объем. А это, в свою очередь, позволило бы использовать не только воздух, но и более подходящий для сжатия газ, поинертнее, скажем, азот или гелий. Дело в том, что воздух под большим давлением окисляет смазку, которая присутствует везде и всюду, а азот и гелий – нет.

Гидрогазовый аккумулятор

Кстати говоря, чисто воздушный аккумулятор чем-то напоминает резиновый – и тут и там упругое тело (воздух, резина) само взаимодействует с рабочим органом, непосредственно совершает работу. А вот резина и привязанный к ней шнурок разделяют обязанности – резина энергию накапливает, а шнурок совершает работу. Шнурок нерастяжим, и поэтому ему легче взаимодействовать с рабочим органом, например с осью колеса. Будь тут одна резина, было бы много потерь энергии из-за трения. Недаром когда-то в рогатке поместили кусок кожи между резинкой и камнем – так сказать, рабочим телом. Без этой кожи рогатка стреляла бы гораздо хуже.

Надо бы придумать что-нибудь подобное и для воздушного аккумулятора, решил я. И поиски привели меня к уже давно известному устройству, принцип работы которого заключался в следующем.

Заливаем в баллон со сжатым газом машинное масло и разделяем их поршнем или резиновой диафрагмой. Сжатый газ давит на поршень, тот на масло, а оно уже поступает под давлением в гидромашину, которая очень похожа на пневмодвигатель или даже на паровую машину – те же цилиндры, поршни, золотники. Только вместо газа или пара гидромашину приводит в действие масло. Масло не сжимается, поэтому потерь энергии в такой машине во много раз меньше, чем в воздушном пневмодвигателе. Да и смазки не нужно – машинное масло само прекрасно смазывает трущиеся детали. Несжимаемое масло здесь как раз играет роль нерастяжимого шнурка.