Часть I. Энергетические искушения
Поднять, растянуть, накачать?
Глава первая, в которой автор пытается разобраться, что же, собственно, ему хочется найти, а затем ищет это в часах-ходиках, гитарных струнах, резине, воздухе – как с машинным маслом, так и без него...
Задача потруднее буридановой
У Буриданова осла было только две кучки сена, и то он не мог сделать выбора. А тут – попробуй выбери подходящую основу для «энергетической капсулы». Ведь существует немало всяких накопителей или аккумуляторов энергии, о которых я, к сожалению, имел тогда довольно смутное представление.
Прежде всего я стал выяснять, каким образом запасают энергию различные аккумуляторы, чтобы определить, какой из них имеет шансы стать «капсулой». Мне казалось, что свежему человеку легче разобраться в этом, чем специалисту, занимавшемуся каким-либо одним аккумулятором.
Когда человек чего-нибудь совершенно не знает и хочет получить хотя бы общую справку, ему советуют заглянуть в энциклопедию. В Малую или в Большую. А если нужно проследить что-то с самого начала, то нет ничего лучше старинного энциклопедического словаря Брокгауза и Ефрона. Открыв золоченый том этой ценнейшей книги 1890 года издания на слове «аккумулятор», я прочел: «Так называются в машиностроительном деле приборы для накопления механической энергии. Изобретены они Армстронгом и основаны на постепенном поднятии на высоту большого груза или на сильном сжатии воздуха».
Энциклопедии последующих выпусков сообщили мне, что аккумулятором вообще называется «устройство для накопления энергии с целью ее последующего использования» и что аккумуляторы бывают электрические, тепловые, механические, в том числе и изобретенные Армстронгом. После каждой статьи об аккумуляторах были помещены ссылки на книги и другие источники, по которым вопрос можно изучить подробнее.
Все! Конец ниточки был у меня в руках, и, потянув за него, я мог уже размотать весь «аккумуляторный клубок». Однако меня смутило определение понятия «аккумулятор» в энциклопедии. Получалось, что аккумулятор и задуманная мной «энергетическая капсула» – это совсем не одно и то же.
«Устройство для накопления энергии с целью ее последующего использования»... Я вспомнил школьные опыты с электрической машиной. Мы крутили большой стеклянный диск, трущийся о кожаные подушки, а затем извлекали из заряженных шаров или конденсаторов – так называемых лейденских банок – яркие искры. Вращая диск, мы накапливали энергию, а извлекая искры из шара или лейденской банки, использовали ее. Как будто это устройство подходит под определение «аккумулятор», но что-то подсказывало мне, что электрическая машина – не аккумулятор. Ведь заряжали мы электричеством только шар или лейденскую банку, именно они накапливали энергию. А стеклянный диск, трущийся о подушки, служит для преобразования механической энергии вращения в электроэнергию, он не имеет к аккумулированию никакого отношения. Такие устройства для преобразования энергии в энциклопедии называются «машинами».
Значит, аккумуляторы-накопители здесь – шар или лейденская банка, а все устройство, включающее и диск с подушками, – это не аккумулятор, а машина, электрическая машина.
Выходит, аккумулятор должен выделять энергию в том виде, что и была в него «заложена». Тогда он будет хранилищем энергии, «энергетической капсулой». А если изменяется форма энергии, 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, бублики на ту же сумму. Тогда это уже не аккумулятор денег – сберкнижка, а самый настоящий магазин. Видимо, доверять можно не всегда и энциклопедиям, 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.
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, не говоря уже о том, что в каждом приемнике или телевизоре их десятки.
Только 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 электроэнергию никакие другие устройства накопить не могут.
Позвольте, а электроутюг и электроплитка, которые включаются в сеть?
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 в электроплитках и любом другом электронагревательном приборе.
Но лучше всего проявляются теплоаккумулирующие свойства в обыкновенном чугунном утюге, который разогревается на газу. 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.
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 там 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, поставив 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 это сильно повредило идее летательного аппарата тяжелее воздуха. Жаль, что в то время Ломоносов не мог построить резиномотора!
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 мог попасть из пневматического ружья.
Правда, пневматическое ружье стреляло гораздо дальше моей рогатки, потому что сжатый воздух, который гнал пулю в стволе 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 собой, а за счет энергии, накопленной в небольшом маховике внутри игрушки. Не раз видел я точильные круги, которые после выключения мотора долго еще вертелись за счет накопленной в них кинетической энергии, и на них в это время можно было даже точить ножи.
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 того, каких бед наделал разорвавшийся на ходу точильный круг – его осколки ломали все на своем пути. И я представил себе, что могла бы натворить «энергетическая капсула» с огромным запасом энергии в ней, разорвись она, как этот точильный круг...
Вот, пожалуй, и все формы энергии, за исключением световой. Можно, конечно, как это не покажется странным, накопить и световую энергию. Многие из моих товарищей увлекались такими накопителями, даже не подозревая, что это и есть накопитель. Я имею в виду светящиеся краски, которыми покрывают 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 приготовить самому. Я тоже их готовил, любовался сказочно красивым сиянием в темноте. Но все-таки сейчас мечтал создать «энергетическую капсулу» не для световой энергии, а для такой, которая сможет двигать 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, – поднятый груз, пружины, резина, а также сжатый газ. Сюда же я отнес и маховики, накапливающие при вращении кинетическую энергию; устройства, накапливающие электрическую энергию, – конденсаторы, электромагнитные катушки и электроаккумуляторы типа таких, которые стоят на автомобилях; устройства, накапливающие тепловую энергию, – различные нагретые тела.
Груз и струна
Для того чтобы сравнивать между собой аккумуляторы различных типов, я должен был избрать какую-нибудь мерку, или, как говорят ученые, критерий для их оценки. Можно сравнивать накопители по цене, экономичности, сложности, удобству и по многим другим качествам. Но я хотел, чтобы моя «энергетическая капсула» была установлена прежде всего на автомобилях, 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 километров пробега». Этот способ оценки автомобилей по расходу топлива на 100 километров пути стал узаконенным.
Что ж, зачем искать новую мерку для сравнения накопителей, когда достаточно хороша и старая. От добра, как говорится, добра не ищут. Только очень уж неудобно оценивать накопители энергии в литрах, лучше в килограммах.
В общем, меркой для сравнения я принял массу в килограммах той «энергетической капсулы», которая позволит автомобилю средней величины, например в 1 тонну массой, проехать путь в 100 километров. Дорога при этом должна быть ровной, хорошей, без подъемов и спусков, а автомобиль должен ехать по этой дороге равномерно, с обычной скоростью 60...80 километров в час, 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, чтобы он ехал равномерно, то получится около 250 ньютонов. Эта сила была определена так. Автомобиль массой в 1 тонну привязали буксиром к другому автомобилю, а в буксирное устройство вставили динамометр – измеритель силы, или попросту пружинные весы. При равномерном буксировании со скоростью 60...80 километров в час динамометр показывал 250 ньютонов.
Работа, которую затратит автомобиль, проехав 100 километров, будет равна произведению силы на путь, а именно 25 тысячам ньютоно-километров. Переведя это в обычные для нас единицы работы – джоули (а один джоуль равен одному ньютоно-метру), получим 25 миллионов джоулей, или 25 мегаджоулей (МДж).
Значит, мой эталонный накопитель должен иметь запас энергии 25 мегаджоулей. Какой из аккумуляторов – механический, электрический или тепловой – окажется «чемпионом» по легкости, тот и будет претендентом на «энергетическую капсулу».
И вот еще что. Для перемещения среднего автомобиля на 100 километров, иначе говоря, для совершения работы в 25 мегаджоулей, достаточно всего около 10 килограммов топлива. Это знает любой водитель. Остается прикинуть, что покажут известные мне накопители – больше или меньше 10 килограммов?
Чтобы запасти 25 мегаджоулей аккумулятором Армстронга в виде поднятого груза, надо вознести 2,5 тонны груза на высоту километра либо 2,5 тысячи тонн на высоту метра. Для автомобиля, разумеется, более подходит вторая высота, но куда девать 2,5 тысячи тонн груза? Что и говорить, неудобный аккумулятор! Его и на автомобиле не разместишь, разве что поднять машину на двух с половиной километровую высоту. Тогда она сама станет аккумулятором энергии. Спускаясь с этой «горы», автомобиль сможет пройти без двигателя необходимые 100 километров, используя энергию, накопленную при подъеме. Но на каждые 100 километров пути гор, как говорится, не напасешься. Да и потом, не всегда же спускаться, нужно и подниматься когда-то.
Выходит, поднятый груз из списка претендентов на «капсулу» надо вычеркивать. Пусть он исправно служит, как и раньше, в часах-ходиках.
Следующим накопителем энергии в моем списке была пружина. Прямо скажу: пружины меня очень заинтересовали. Тем более, что, как я слышал, были в свое время пружинные колесницы, на которых коронованные особы совершали свой торжественный выезд. Нельзя ли автомобили приводить в движение энергией заводной пружины?
На глаза мне попались пружинные весы, или безмен. «Что, если попробовать сделать тележку, движущуюся энергией, накопленной в безмене?» – подумал я. И, увлеченный этой идеей, тут же принялся за постройку «безменовоза». На простой платформочке с двумя осями и колесами я укрепил безмен, к крючку которого привязал прочную нить. Другой конец нити привязал к одной из осей и, вращая колеса, стал наматывать нить на ось. Чем больший вес показывала стрелка безмена, тем труднее становилось крутить колеса. Это накопленная в пружине механическая энергия стремилась повернуть их в обратную сторону. Растянув пружину на полную длину (у обычных хозяйственных безменов это соответствует 10 килограммам, или, правильнее, 100 ньютонам), я поставил «безменовоз» на пол. Но перед тем как отпустить колеса, положил на тележку гирю, чтобы та была потяжелей.
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!