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.
Лучше и предложить трудно, но пока нет гипотетического идеально скользкого цилиндра. А собственно говоря, для чего он нужен? Для того, чтобы каждый слой резины на цилиндре мог повернуться относительно предыдущего без трения... Стоп! Ведь такой же результат мы получим, если разрежем цилиндр, как колбасу, на отдельные слои и насадим их свободно на общую ось! Слои эти можно изготовить из легкой пластмассы, даже из дерева.
Я приглядел дома толстую, добротную скалку, которой бабушка раскатывала тесто, и, воспользовавшись удобным случаем, распилил ее на множество тонких дисков. Выкрасил их сразу же раствором марганцовки, чтобы не узнали в моем «изобретении» бывшей скалки. Затем, проделав центральные отверстия, насадил диски на гладкий стальной стержень, на котором они могли свободно вращаться. Кроме этого, я просверлил диски в разных местах, чтобы максимально облегчить их. В самые крайние диски аккуратно, стараясь не расколоть, вбил короткие толстые гвозди, перекинул через них зигзагами резиновый жгут, концы которого связал между собой. Чтобы диски не терлись торцами, переложил их шайбами.
Теперь, вращая крайние диски в разные стороны, я мог растягивать резиновый жгут, накапливая в нем изрядное количество энергии.
Установил я свой «резиноаккумулятор» на оси колеса детской коляски. Крайние диски закрепил неподвижно – один на оси колеса, другой на раме коляски. Закрутив колесо в обратную движению сторону до полного натяжения резины, оборотов на пятьдесят, я затем опускал его на дорогу. Коляска рвалась вперед, как норовистый конь, и резво выносила меня прямо на середину двора на зависть младшим ребятишкам.
Потом я соединил вместе десять таких «резиноаккумуляторов», расположив их под днищем коляски, с приводом на одно заднее колесо. Второе посадил на ось свободно. Передние колеса я сделал рулевыми и ездил на своем «резиновозе» уже метров по триста, вызывая удивление у прохожих. Еще бы! Детская коляска с длинноногим «малюткой» сама собой катилась по улице, причем довольно быстро и бесшумно – совсем как печка с Емелей из сказки!
Моим «резиноаккумулятором» заинтересовались специалисты, тоже из числа прохожих. Один из них, работавший на заводе, посоветовал мне подать письмо-заявку в Комитет по изобретениям, описав в ней мой «резиноаккумулятор». Он и помог составить эту заявку, так как это оказалось непросто, особенно если делаешь в первый раз.
Какова же была моя радость, когда я получил официальное письмо, где говорилось, что мой «резиноаккумулятор» признан изобретением. А затем, почти через год, мне торжественно вручили государственный документ – авторское свидетельство на изобретение. Это был красивый диплом с красной печатью и зеленой лентой, с номером моего изобретения и чертежом «резиноаккумулятора». Тот, кто получает такое авторское свидетельство, уже считается изобретателем. Я очень гордился этим документом и повесил его на стенку.
Надо сказать, что «резиноаккумулятор» действительно вышел неплохой. Правда, он запасал не 30, как я ожидал, а всего 3 килоджоуля на килограмм своей массы, но и это было в десятки раз больше, чем может накопить пружина.
Конечно, я понимал, что это не совсем тот аккумулятор, о котором мечталось. И энергии не мешало бы накапливать побольше, и потерь ее в резине многовато. Да и материал – резина – недолговечный по сравнению с металлом, например. Что ж, значит, все еще впереди.
Энергия... в воздухе!
«Бесполезно было бы пытаться набрать в резине энергии больше, чем она в состоянии накопить», – успокаивал я себя, когда мой взгляд останавливался на предмете моей гордости – авторском свидетельстве 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, 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, вообще всякие газы тоже обладают упругостью. Более того, воздух, например, можно сжимать гораздо сильнее, в большее количество раз, чем растягивать пружину или резину. Хорошо, если пружину удается сжать вдвое; резину иногда растягивают раз в пять-шесть. А воздух сжимай хоть в пятьсот раз – ничего ему не сделается.
То есть в сжатом воздухе, если рассуждать теоретически, можно накопить огромную энергию. Но газ нельзя сжимать сам по себе, нужен сосуд – баллон, в котором этот газ будет находиться. Баллон должен быть очень прочным, иначе его разорвет давление.
А прочные вещи всегда бывают тяжелыми. И поэтому сам баллон, как правило, намного тяжелее, чем газ внутри его. 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 физики с таким нетерпением и наконец нашел то, что искал.
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 атмосфер, или около 50 мегапаскалей (МПа). Тогда весь кубометр уместится в сосуде емкостью два литра. Если предположить, что баллон весит примерно столько же, сколько воздух (а это должен быть очень хороший, крепкий баллон!), значит, на каждый килограмм баллона придется только около литра сжатого воздуха. Но этот литр, одна тысячная кубометра, умноженная на 50 мегапаскалей давления, даст в результате 50 килоджоулей энергии!
Совсем неплохой показатель – 50 килоджоулей на килограмм массы аккумулятора! 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 килограммов. 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, проходящий с одной заправки воздухом более ста километров.
Вскоре выяснилось, что и это далеко не новость. Еще в прошлом веке во французском городе Нанте ходил трамвай, работавший от баллонов со сжатым воздухом. Десяти баллонов воздуха, сжатого всего до 3 мегапаскалей, при общем объеме 2800 литров, трамваю хватало, чтобы пройти на накопленной в воздухе энергии путь в 10...12 километров.
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 утлекислотный, с очень низкой температурой. Такой снег, только спрессованный, часто называют «сухой лед», 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 было основной причиной остановки пневмодвигателя.
Можно, конечно, нагревать 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 пустить в работу, то он охладился бы всего до исходной температуры. А при хранении баллон с горячим газом в конце концов остывает, принимает температуру окружающего воздуха. Отсюда и столь сильное охлаждение газа при выходе его из баллона, при расширении, отсюда и «сухой лед».
Как ни горько было мне 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 «хорошо» и «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 моей 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 в это время и внутри баллона. С каждым мгновением газа в нем остается все меньше и меньше, он все больше расширяется, давление его падает, а соответственно снижается и количество выделяемой энергии. И если сначала мы получаем с одного литра сжатого газа огромную энергию, то, когда давление его приближается к атмосферному, в аккумуляторе уже не энергия, а «пшик».
Хорошо бы не давать газу расширяться так сильно, подумал я. Допустим, довести давление этак с 50 мегапаскалей до 20 и на этом остановиться. Не так уж и трудно это сделать, если, например, взять цилиндрический баллон и перемещать внутри его поршень. И охлаждение было бы значительно меньше, и газ можно было бы не выпускать в атмосферу, оставляя его все в том же герметичном баллоне-цилиндре, 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.
Кстати говоря, чисто воздушный аккумулятор чем-то напоминает резиновый – и там и здесь упругое тело (воздух, резина) само взаимодействует с рабочим органом, непосредственно совершает работу. А вот резина со шнурком разделяют обязанности – резина энергию накапливает, а шнурок совершает работу. Шнурок нерастяжим, и поэтому ему легче взаимодействовать с рабочим органом, например осью колеса. Будь тут одна резина, было бы много потерь энергии из-за трения. Недаром когда-то догадались помещать в рогатке кусок кожи в месте контакта с 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 воздушной – пневмодвигателе. Да и смазки не нужно – машинное масло само прекрасно смазывает трущиеся детали. Несжимаемое масло здесь как раз играет роль нерастяжимого шнурка.
Это был тоже аккумулятор – гидрогазовый, то есть состоящий из жидкости – масла – и газа. Но наряду с преимуществами перед чисто воздушным он имел и свои недостатки.
Главный недостаток – требовалось много масла. Чем более емкий аккумулятор мы захотим сделать, тем больше в нем должно быть сжатого воздуха. Масла, естественно, понадобится столько же, сколько и воздуха, не меньше. И еще – пройдя через гидромашину, масло свободно стекает в бак, тяжелый, громоздкий, тем большего размера, чем больше масла. Если учесть, что здесь используется не один, а сразу несколько баллонов со сжатым воздухом и маслом, то можно себе представить, как это все увеличит размеры и массу аккумулятора!
Нет, размышлял я, так дело не пойдет. Куда мне такая громадина? Один только бак чего стоит... А нельзя ли обойтись совсем без него?