Тот, кто пробовал завести двигатель автомобиля рукояткой, хорошо знает, как это трудно. В наши дни такими рукоятками пользуются сравнительно редко. А каково же было людям средневековья? Для того, чтобы машина работала, им приходилось крутить рукоятку постоянно с утра до вечера, изо дня в день, из месяца в месяц, из года в год. Будучи, по существу, «живыми двигателями» средневековых машин, они быстро выбивались из сил, производительность их труда заметно падала. Разумеется, с таким положением нельзя было мириться. И вот однажды кто-то догадался снабдить рукоятку маховиком. Это позволило значительно облегчить труд работников. Отныне маховик стали применять в самых различных технических устройствах.
Характерным примером использования маховика в старинных машинах может служить ковшовый водоподъемник XV века, колесо которого должен был поворачивать вручную специально нанятый для этого работник. В те моменты, когда человеку было удобно вращать рукоятку, укрепленный на ней достаточно большой маховик «принимал» у него часть энергии и возвращал ее тогда, когда крутить рукоятку становилось очень неудобно. В результате и человек меньше утомлялся и машина работала более равномерно.
Другой пример – поршневой насос конца XV – начала XVI века. Помимо неудобства пользования рукояткой, здесь требовалось преодолеть еще одну сложность. Когда поршень поднимал воду, крутить рукоятку было намного тяжелее, чем во время его спуска. И нередко случалось так, что при подъеме у работника просто не хватало сил провернуть рукоятку, оказавшуюся в неудобном для него положении. Применение маховика позволило решить эти проблемы.
Даже тогда, когда машины стали приводить в движение с помощью водяного колеса, маховик не утратил своего значения. В XVI веке, например, его использовали в машинах для распиловки досок. Поднимать пилу вверх было легко: в это время она не пилила – наклон зубьев был в другую сторону. Опускать же оказывалось совсем непросто. Ведь при этом и происходила собственно распиловка доски. Без маховика пила бы часто застревала в доске, и водяное колесо не в силах было бы протянуть ее дальше. Теперь же маховик, разгоняясь при свободном ходе пилы вверх, отдавал ей свою энергию при рабочем ходе вниз. Пила не застревала, и дело шло быстро. Маховик здесь был уже гораздо больше по размерам и массе, чем на ручных машинах, – мощность тут требовалась изрядная.
В XVIII веке изобрели паровой двигатель, а в XIX – двигатель внутреннего сгорания. Оба поршневые. Главный же недостаток поршневой машины – неравномерность выделения энергии, неравномерность хода. Машина выделяет энергию лишь в момент подачи пара в цилиндр или в момент сжигания в нем горючего. Все остальное время она только расходует ее на свое прокручивание. Это необходимо, чтобы машина не остановилась.
Тут-то и пригодился маховик. Посаженный на вал двигателя, маховик при сжигании горючего – то есть при рабочем ходе машины – накапливает энергию, а потом за счет нее сам прокручивает машину для подготовки следующего рабочего хода. Если кто-нибудь думает, что едущий автомобиль постоянно приводится в движение двигателем, то он ошибается. Часть времени машину тянет двигатель, а часть – именно маховик. И изрядные расстояния мы, сами того не подозревая, проезжаем на маховичном автомобиле. Правда, такой маховик накапливает очень незначительную энергию по сравнению с другими аккумуляторами той же массы, и поэтому претендовать на роль «энергетической капсулы» он не может.
Часто маховик присутствует в машинах незримо, он «замаскирован» в них под какую-то деталь, но выполняет самую что ни на есть «маховичную» работу. Те, кто бывали на заводе, наверное, видели там механические ножницы. Мотор с помощью ремня крутит шкив, а от этого шкива приводится в движение нож. На первый взгляд шкив как шкив. А будь он полегче, не такой массивный, каким его изготовили, не сработали бы тогда ножницы – упершись в заготовку, нож сразу бы остановился. Только маховик, «замаскированный» в этом случае под шкив, позволяет за счет накопленной энергии развивать огромные силы и мощности, необходимые для работы.
«Маскируется» маховик обычно под шкивы, муфты, зубчатки, колеса и другие круглые, а подчас и не совсем круглые детали. В самом деле, почему бы и не использовать свободный обод маховика для размещения на нем ремня или зубьев? Это очень даже удобно.
Кстати, уж коли мы заговорили про колеса, то велосипедные колеса – настоящие маховики, на которые надеты шины. Но здесь используется главным образом другое свойство маховика – гироскопический эффект. Это он помогает сохранять устойчивость велосипеду, как и вращающемуся волчку – игрушке, на которой впервые этот эффект был подмечен.
Более чем 200 лет тому назад английский изобретатель Серсон попытался использовать это свойство волчка для создания «искусственного горизонта» – особого прибора, крайне необходимого в мореплавании: ведь нередко из-за тумана естественного горизонта не видно. Этот прибор нужен был морякам для астрономических наблюдений, чтобы выяснить, где находится в данный момент корабль. Раньше применяли для этих целей отвес, но при волнении на море отвес сильно раскачивался наподобие маятника и «поймать» горизонт было невозможно.
Судьба оказалась несправедливо жестокой к изобретению и к самому изобретателю. Фрегат «Виктори», на котором был установлен «искусственный горизонт», потерпел крушение, Серсон погиб. Об его изобретении лет на сто забыли.
Свойство маховика сохранять ось вращения в пространстве поначалу поражало меня, как, впрочем, и каждого, кто с ним впервые сталкивается. Только позже я понял, чем оно объясняется. Но уже до этого, наблюдая гироскопический эффект, я твердо решил применить его, если будет построена маховичная «энергетическая капсула».
Маховик перебирается на транспорт
Наступил XIX век, век настоящего расцвета машиностроения. Неизменный спутник машин маховик завоевывал себе прочное место на транспорте. А впервые он был использован там в 1791 году гениальным русским механиком-самоучкой И.П. Кулибиным, который применил его в своей знаменитой «самокатке».
Надо сказать, что «самокатки», «самобеглые коляски» и прочие «безлошадные» транспортные средства появились задолго до Кулибина. Но Кулибин не знал об этом и создавал все заново. Не подозревая о предшествующих конструкциях «самокаток», где маховиков и в помине не было, он положил начало новому применению маховичных накопителей.
Еще в Древнем Риме дети катались на досках с приделанными к ним четырьмя колесами. Это были первые примитивные тележки без животной тяги, работающие на мускульной энергии самого пассажира.
В 1257 году английский ученый и общественный деятель Роджер Бэкон предсказал возможность создания больших тележек с мускульной тягой, имеющих практическое значение.
В 1447 году в европейских городах на новогодних празднествах видели закрытую повозку, приводимую в движение «скрытым механизмом» – по-видимому, спрятанными внутри повозки людьми.
Великий художник А. Дюрер сконструировал целых девять «самобеглых» повозок для императора Максимилиана I. Даже сам Ньютон в ранней молодости построил «самокатку», которая ездила по полу в его доме.
В XVII...XVIII веках были известны не менее десяти разновидностей «безлошадных» самоходных повозок, в том числе «самобеглая коляска» талантливого русского механика Леонтия Шамшуренкова, построенная в 1752 году.
В наш век «самобеглые» получили как бы второе рождение. Люди хотят больше двигаться, ведь не секрет, что мы страдаем от недостатка движения. К тому же мускульные транспортные машины не имеют двигателей, сжигающих горючее, они совершенно безвредны. Сейчас создано много новых конструкций не только велосипедов, уже завоевавших мир, но и мускульных автомобилей – педикаров, которым еще предстоит это сделать. Ряды сегодняшних «изобретателей велосипедов», в лучшем смысле этих слов, множатся с каждым днем.
У всех «самобеглых» есть общий недостаток – они плохо преодолевают подъемы. Велосипедисты знают, как тяжело даже на современных легких педальных машинах ехать в гору. Можно понять, насколько трудно это было для водителей педикебов – велосипедных колясок, в которых, помимо самого водителя, нередко сидели еще два пассажира. Между тем, по отзывам очевидцев, «самокатка» Кулибина в гору шла быстрее, чем по ровной дороге!
Дело здесь в применении маховика, который, разогнавшись, за счет накопленной энергии помогал преодолевать подъемы и, кроме того, снижал скорость «самокатки» на спусках. Водитель, вращая педали, раскручивал маховик, расположенный под сиденьем, а уже от маховика движение посредством механической передачи шло на колеса.
Маховик – не единственный накопитель энергии, использованный Кулибиным в «самокатке». Он применил тут в качестве тормоза специальные пружины, могущие накапливать энергию экипажа при торможении. Пружины помещались в тормозном барабане, играющем одновременно и роль коробки передач. Можно только удивляться гению Кулибина, почти на полтора столетия опередившего техническую мысль своего времени.
В Политехническом музее в Москве демонстрируется прекрасная действующая модель «самокатки» Кулибина в масштабе 1:5. Измерениями на модели я определил диаметр маховика в полную величину – он был около 1,5 метра, масса обода – 50 килограммов.
Считается, что человек, спокойно работая ногами, способен развить мощность около одной десятой лошадиной силы. Учитывая потери энергии маховика на трение о воздух и в подшипниках, я получил максимальную скорость, до которой может быть разогнан такой маховик, – 500 оборотов в минуту. Это очень низкая скорость для маховиков, но и при этом маховик Кулибина мог накопить около 800 джоулей энергии на килограмм массы, а всего – около 40 килоджоулей. Полагая, что масса экипажа была примерно 400 килограммов и соответственно сила сопротивления его движению по дороге – около 0,1 килоньютона, я определил путь, который могла пройти «самокатка» только на энергии маховика, – он оказался равен 400 метрам. Для преодоления встретившегося подъема «самокатке» достаточно было энергии самого маховика. А ведь при этом человек тоже не переставал работать педалями. Поэтому и казалось, что «самокатка» в гору шла быстрее, чем по равнине.
«Самокатка» Кулибина – прекрасный пример удачного использования маховика на транспорте, даже соотношение масс маховика и экипажа словно взято из современных книг!
Следующим применил маховик на транспорте другой наш соотечественник, инженер-поручик З. Шуберский.
В июле 1862 года в газете «Современная летопись» появилась такая заметка: «Два года назад в «Журнале путей сообщения» было заявлено об остроумном изобретении г-на Шуберского. Маховоз господина Шуберского, состоящий из системы маховых колес, предполагается к употреблению при всходе и спуске поездов по крутым скатам железных дорог. Умеряя быстроту движения при спуске с горы и употребляя сбереженную скорость при подъеме в гору, снаряд г-на Шуберского дает возможность проводить железные дороги со значительными склонами, уменьшая количество земляных работ и искусственных сооружений. Опыты над моделью маховоза оказались удовлетворительными, и изобретатель намеревается приступить к опытам в большом виде».
Я разыскал этот журнал и обнаружил подробное описание, расчеты и чертежи первого рельсового маховичного экипажа.
Три пары огромных железных маховиков посажены своими осями на ободы ведущих колес маховоза. Таким образом, вращение передается от ведущих колес на оси маховиков при спуске и, напротив, от осей маховиков ведущим колесам на подъеме только силой трения. Это самый простой и в данном случае наиболее подходящий способ передачи механического движения при высокой мощности и минимальных потерях энергии в опорах и на приводе. Кроме того, оси маховиков помещены в подшипниках и могут быть приподняты в случае торможения маховоза, чтобы не гасить при этом энергию маховиков. Последние в это время будут вращаться вхолостую.
Маховоз предполагалось цеплять позади паровоза, перед вагонами. Предусматривалось также снабдить маховиками паровоз и тендер. Размеры и масса маховиков весьма внушительны: каждый маховик диаметром 12 футов (3,6 м) и около 300 пудов (5 тонн) массой. Сам маховоз имеет массу 2330 пудов (40 тонн). Окружная скорость обода маховика связана со скоростью поезда и превышает ее в 12 раз. Кинетическая энергия, накапливаемая маховиками при этом, – около 2,3 миллиона пудо-футов (114 МДж).
Набирая кинетическую энергию на спусках или на ровном пути посредством «подталкивания» паровозом, маховоз должен был помогать поезду преодолевать крутые подъемы. Допустим, сам паровоз может преодолеть уклон только в 5 тысячных (подъем на 5 метров за 1 километр пути), а с маховозом он взойдет по подъему, в три раза более крутому, на высоту 135 футов (40 м), из которых 2/3 подъема будут преодолены за счет энергии маховоза и лишь 1/3 самим паровозом.
Шуберский предлагал использовать свое изобретение и для поездок «малыми поездами» на небольшие расстояния. Например, если прицепить к маховозу один пассажирский вагон массой 625 пудов (10 тонн), то этот поезд при разгоне его паровозом до скорости 28 верст в час (30 км/ч) на участке в 2 версты (2,1 км) пройдет за счет энергии маховиков внушительное расстояние – 55 верст (60 км) до остановки.
Если не доводить поезд до полной остановки и использовать, скажем, 75 процентов всей кинетической энергии, пробег сократится до 40 верст (43 км). Если же удвоить скорость поезда, то есть довести ее до 60 километров в час, вполне нормальной и даже низкой скорости для поездов, то пробег учетверится и составит уже 170 километров. Это весьма неплохо для поезда, движущегося за счет аккумулированной энергии!
Тщательный расчет, проведенный Шуберским, показал, что расход топлива с применением маховоза может быть снижен не менее чем на 25 процентов. Цифра, удивительно близкая к современным данным по маховичным рельсовым машинам, например, к такому же показателю у поезда с маховиками в нью-йоркском метро.
Свое описание маховоза Шуберский заканчивает словами, полными патриотизма: «Вполне я был бы счастлив, если бы мое изобретение обратило бы на себя внимание и могло послужить в пользу скорейшего развития отечественных железных дорог».
Потом маховиком заинтересовался американец Дж. Хауэлл. Правда, машину, на которую он его поставил, лишь условно можно назвать транспортом, так как это была торпеда, доставляющая взрывчатку к атакуемому кораблю. Маховик торпеды Хауэлла, разработанный в 1883 году, раскручивался паровой машиной за 1 минуту, после чего торпеда проходила около 1,5 километра с достаточно высокой скоростью – 55 километров в час. Маховик имел диаметр 45 сантиметров, массу 160 килограммов, скорость вращения его достигала 21 тысячи оборотов в минуту. Накопленная в маховике энергия составляла 10 мегаджоулей. Вращение от маховика с помощью конических шестерен передавалось на гребной винт с регулируемым углом наклона лопастей.
Если отвлечься от военного назначения торпеды, думаю, что в «мирном» варианте это была бы неплохая прогулочная быстроходная лодка без мотора, горючего, дыма и треска. Ее с успехом можно было бы использовать в черте города, на переправах, в местах отдыха людей. А раскручивать маховик не обязательно паровой машиной – с этим еще лучше справился бы электромотор.
В 1905 году англичанину Ф. Ланчестеру был выдан патент на изобретение, имеющее отношение к «...применению для механического движения мотора в форме тяжелого, быстровращающегося маховика, с целью приведения в движение моторного экипажа». Колеса экипажа Ланчестера соединялись приводом с маховиком или даже с системой из двух маховиков, вращающихся в противоположные стороны. Раскручивали маховики на остановках, где для этого были установлены стационарные двигатели. Ланчестер предусмотрел также разгон маховиков с помощью встроенного электродвигателя, который подключался на остановках к электрической сети.
В 1918 году русский изобретатель-самоучка А.Г. Уфимцев получил патент на маховичный накопитель – инерционный аккумулятор. А в 20-х годах он предложил использовать маховик для приведения в движение трамвая в своем родном городе Курске. Из-за разрухи в народном хозяйстве в те годы проект этот не был осуществлен.
Эпоха современного применения маховиков на транспорте начинается с разработки маховичных тележек для внутризаводских перевозок. В цехах ездить на грузовиках нельзя, мешают выхлопные газы, а электрокары невелики, грузоподъемность их мала. Вот умельцы на заводах и стали делать грузовые тележки с приводом от маховика. В Казани на компрессорном заводе до сих пор работает такая маховичная тележка грузоподъемностью до 10 тонн.
Еще важнее для промышленности оказались маховичные локомотивы, работающие в шахтах и рудниках. Атмосфера некоторых подземных выработок настолько насыщена взрывоопасными газами, что там становится невозможным использование обычных электровозов. Только один вид транспорта – маховичный – дает полную гарантию от искры или пламени, могущих вызвать взрыв.
И вот у нас в стране начался выпуск маховичных локомотивов, способных проходить с одной раскрутки маховика массой 1,5 тонны несколько километров, таща за собой состав вагонеток. Раскручивается маховик от сжатого воздуха, а с колесами локомотива его соединяет механическая передача, полностью гарантирующая от искр.
«Транспортом пороховых складов» прозвали маховичный транспорт за его пожаро- и взрывобезопасность.
И, наконец, применение маховиков на автомобилях началось с изготовления швейцарской фирмой «Эрликон» маховоза-гиробуса, опытный образец которого был построен в 1945 году. Уже в 1953 году фирма выпустила серию гиробусов, добросовестно проработавших 20 лет в самой Швейцарии, в Бельгии и в Африке.
Масса гиробуса была 11 тонн, а с пассажирами – 16 тонн. Его тяговые электродвигатели питались от генератора, приводимого во вращение маховиком. Маховик, выкованный из прочной стали, имел диаметр 1,5 метра и массу 1,5 тонны. Скорость его вращения составляла в начале движения 3000 оборотов в минуту, а по прошествии 4...6 километров пути снижалась вдвое. Из накапливаемых маховиком 33 мегаджоулей энергии использовалось 75 процентов.
Подзаряжался маховик на остановках через 1,2...2 километра в течение 40 секунд. Для этого штанги гиробуса поднимались до соприкосновения с контактами на высокой мачте. Генератор начинал работать в режиме двигателя и разгонял маховик. Хотя КПД гиробуса был невысок – всего 50 процентов, он показал себя очень экономичным транспортом. Расход энергии составлял 1,5 кВт·ч, или 5,5 мегаджоуля на километр пробега. Для сравнения напомню, что автобус того же класса, что и гиробус, расходует на пробег 1 километра не менее 400 граммов бензина, что в переводе на механическую работу в три раза больше – 17 мегаджоулей.
Гиробус совершенно не загрязнял окружающую среду. А ведь даже электроаккумулятор выделяет в атмосферу водород и пары, которые содержат в себе такие вредные вещества, как свинец, кадмий, хлор и другие. Гиробус не требовал, как троллейбус, для своего движения контактных проводов, уродующих вид города и создающих опасность поражения током. Он ехал совершенно бесшумно, его штанги не терлись и не искрили при движении.