Нурбей Гулия
Работата, която автомобилът ще извърши след като измине 100 км, ще бъде равна на произведението на силата и пътя, а именно: 25 000 N км. Превеждайки това в нашите обичайни единици за работа - джаули (1 J = 1 N m), получаваме 25 милиона J, или 25 MJ (мегаджаули). Така че моето еталонно устройство трябва да има 25 MJ енергия. Коя от батериите - механична, електрическа или термична - ще бъде "шампион" по лекота, такъв ще бъде и претендентът за "енергийната капсула". И още нещо. За да изминете един среден автомобил 100 км, с други думи, за да извършите 25 MJ работа, са достатъчни само около 10 кг гориво. Всеки шофьор знае това. Остава да разбера какво ще покажат известните ми задвижвания - повече или по-малко от 10 кг?
25 MJ работни еквиваленти
За да може батерията Armstrong да съхранява 25 MJ енергия под формата на повдигнат товар, е необходимо да се вдигнат 2,5 тона товар на височина 1 км или 2500 тона на височина 1 м. За кола, разбира се, втората височина е по-подходяща, но какво да правим с 2500 тона товар? Излишно е да казвам, неудобна батерия! Не можете дори да го поставите на кола, освен да вдигнете колата на 2,5 километра височина. Тогава тя сама ще се превърне в акумулатор на енергия. Слизайки от тази „планина“, автомобилът ще може да измине необходимите 100 км без двигател поради енергията, натрупана по време на изкачването. Но за всеки 100 км от пътя планините, както се казва, не се насищат. И тогава не винаги трябва да слизате, трябва да се качвате някой път. Оказва се, че вдигнатият товар трябва да бъде зачеркнат от списъка с претенденти за "капсулата". Нека редовно служи, както преди, в часовници. Следващият енергиен склад в моя списък беше пролетта. Честно казано, много се интересувах от изворите, особено след като, както чух, някога е имало пружинни колесници, на които коронованите особи са извършвали своите тържествазаминаване. Могат ли колите да се задвижват със силата на пружината с часовников механизъм?
Пружинна количка - "безменовоз"
Пружинни везни, или стоманка, хванаха окото ми. „Какво ще стане, ако се опитаме да накараме количка да се движи под действието на енергията, натрупана в железопътния двор?“ Мислех. И, увлечен от тази идея, той веднага се зае да построи „безменовоз“. Върху обикновена платформа с две оси и колела закрепих стомана, за чиято кука завързах здрав конец. Завърза другия край на конеца за една от осите и като завъртя колелата, започна да навива конеца около оста. Колкото по-голяма тежест показваше стрелата, толкова по-трудно ставаше завъртането на колелата. Това беше механичната енергия, натрупана в пружината, която имаше тенденция да ги завърти в обратната посока. След като опънах пружината до пълната й дължина (за обикновените домакински стоманени дворове това съответства на 10 kg, или по-точно 100 N), свалих „товарача на лъча“ на пода. Но преди да пусне колелата, той сложи тежест върху количката, за да натежи екипажът. Веднага след като колелата бяха освободени, енергията беше освободена от стоманената пружина. Притискайки до предишното си положение, пружината издърпваше нишката, която се развиваше от оста и завърташе колелата на "носещото колело". Ускорявайки, той измина значително разстояние, преди да спре. Въпреки това, не се радвах дълго на моя "bezmenovoz". След известно време ръцете ми толкова се измориха да разтягам пружината, че трябваше да оставя количката настрана. Да, и беше време сериозно да помислим за пружините - на какво са способни. Пружините са изработени от стоманена еластична тел. Разтягайки пружината, ние сякаш развиваме жицата. Ако разтегнем пружината твърде много, тя вече няма да се върне към предишните си размери - ще се разтегне, ще се влоши. Възможно ли е да се натрупа енергия чрез опъване не на пружината, а на самата тел? Много е възможно и ние честоправим, когато свирим на струнни музикални инструменти. Вземете поне еластична струна на китара. Докато струната не е опъната, провисва, силата на опън е нула. Колкото повече опъваме струната със специални обтягащи устройства - колчета, толкова по-голяма е силата, с която струната се съпротивлява на разтягане: колкото пъти се удължава струната, толкова силата нараства със същото количество. Накрая струната не издържа на напрежението и се спуква със звънлив звук. Звъненето е освобождаване на механична потенциална енергия, натрупана в струната. Когато свирим на китара, се оказва, че правим само това, като дърпаме струните с пръсти, натрупваме потенциална енергия в тях и освобождавайки я, даваме възможност на струните да я освободят и то буквално във въздуха. Но енергията, съхранявана в струните, не се губи. Пренесен във въздуха под формата на звукови вибрации, той радва слуха ни с музика. Модерната висококачествена тел, която се използва за направата на музикална струна, е много издръжлива. Тел с напречно сечение 1 мм2 може да издържи до 400 кг товар. В този случай проводникът на метър ще се разтяга еластично с не по -малко от 2 см. Потенциалната енергия в такъв проводник ще бъде равна на продукта на средната сила и удължаване, тоест почти 35 J. Обемът на този проводник е лесен за изчисляване: той е само 1 cm3 с маса около 8 g. Този индикатор характеризира колко енергия може да натрупа всеки килограм маса на батерията. Опитах се да го запомня добре, защото знаех, че ще ми бъде много полезно в бъдеще. Междувременно разбрах, че за една музикална струна е около 4000 J/kg, или 4 kJ/kg. Голям концертен роял, например, се натрупва в струните ситолкова много енергия, че би било достатъчно за пианото да се премести няколко десетки метра! Вярно е, че за да се улесни "движението", ще трябва да се постави на велосипедни колела. И шампионът в такова пътуване с енергията на опънати струни би била може би арфа. Има почти толкова струни, колкото пиано, но колко пъти по-малко тегло!
Една музикална струна, която се разтяга под натоварване и натрупва енергия, може да се удължи с почти 2%
Разбира се, музикалната струна е уникален скъп материал. За конвенционалните стоманени пружинни материали енергийната плътност ще бъде повече от наполовина. Като взех предвид неравномерното напрежение на материала на пружината, както и като взех предвид необходимата граница на безопасност, изчислих, че всеки килограм от пружината е в състояние да натрупа не повече от 0,5 kJ енергия. Това означава, че кола с тегло 1 тон ще се нуждае от пружинна батерия с тегло 50 тона, за да измине 100 км!
Пружинно хранилище за лек автомобил ще тежи около 50 тона
Но как са се движели старите кралски пружинни карети, една от които може да се види на гравюрата на великия немски художник Албрехт Дюрер? По-късно в една от книгите прочетох, че непрекъснато ги „въртят“ яки работници, добре прикрити сред позлатения блясък на вагоните. Иначе нямаше да минат и десет метра. Това е цялата тайна!
Пролетна "кралска" карета на Албрехт Дюрер
Гумата побеждава стоманата
Беше жалко да се разделя с пружините, но те очевидно не оправдаха надеждите ми. Трябваше да предвидя това: не можеш дори да направиш разумна прашка от пружина. Веднъж се опитах да заменя гумените ленти в прашката с тънки пружини, възнамерявайки да направя „супер прашка“, но се оказа неудобно. За смях на другарите ми "супер прашката" изплю камък под менкрака. Оказва се, че гумата не е толкова лоша както за прашки, така и за гумени мотори. И в крайна сметка, свойството на каучука е да акумулира енергия, която се използва тук. На пръв поглед изглежда: добре, какъв вид материал е гумата в сравнение с най-здравата жица? Но това е само на пръв поглед. Нека проверим всичко в числа. За да издърпате два пъти ластик с напречно сечение 1 cm2, трябва да приложите сила от около 200 N. Изчислих това, като окачих различни тежести на снопа. И преди да се счупи, добрата гума от естествен каучук ще се разтегне четири пъти, не по-малко.
Графика на "разтегливо-свиваем" каучук (сенчестите области характеризират загубата на енергия)
„Гуменият камион“ се движи с енергията, натрупана в гумата
Невъзможно е да се мисли за по-добър, но досега няма хипотетичен идеално хлъзгав цилиндър. И всъщност за какво е? Така че всеки следващ слой гума върху цилиндъра може да се върти спрямо предишния без триене ... Стоп! В крайна сметка ще получим същия резултат, ако нарежем цилиндъра, като наденица, на отделни слоеве и ги поставим свободно на обща ос! Тези слоеве могат да бъдат направени от лека пластмаса, дори от дърво. Вкъщи се загледах в една дебела солидна точилка, с която баба ми разточваше тестото и, възползвайки се от случая, го нарязах на много тънки дискове. Веднага ги боядисах с разтвор на калиев перманганат, за да не разпознаят бившата точилка в моето „изобретение“. След това, след като направи централните отвори, той постави дисковете върху гладък стоманен прът, върху който те можеха да се въртят свободно. Освен това пробих дисковете на различни места, за да олекотя максимално конструкцията. Внимателно, опитвайки се да не се разцепи, той заби къси дебели пирони в най-външните дискове, преметна върху тях на зигзаг гумена лента, чиито краища завърза. За да предотвратите триенето на дисковете в краищата,поставете шайби между тях. Сега, като завъртя най-крайните дискове в различни посоки, мога да разтегна ластика, натрупвайки доста енергия в него. Монтирах моя "гумен акумулатор" на оста на колелото на бебешка количка. Фиксирах неподвижно външните дискове - единият на оста на колелото, другият на рамката на количката. След като завъртях колелото в посока, обратна на пълното напрежение на гумата, около 50 оборота, след това го свалих на земята. Каретата се втурна напред като раздразнен кон и ме понесе енергично право в средата на двора за завист на по-малките деца.
Моят гумен акумулатор
Енергия... във въздуха!
Сгъстеният газ в цилиндъра освобождава енергия чрез въртене на въздушния двигател
За да разберете колко енергия се съхранява в даден газ, трябва да умножите неговото налягане по неговия обем. Един кубичен метър въздух тежи малко над килограм. Да кажем, че компресираме въздуха 500 пъти, налягането му ще бъде - 500 atm, или около 50 MPa (мегапаскала). Тогава целият кубичен метър въздух ще се побере в съд с вместимост 2 литра. Ако приемем, че цилиндърът тежи приблизително колкото въздуха (и трябва да е много здрав цилиндър!), Тогава за всеки килограм от цилиндъра ще ви трябва само около литър сгъстен въздух. Но този литър, или една хилядна от кубическия метър, умножена по 50 MPa, ще доведе до 50 kJ енергия! Много добър показател - 50 kJ/kg! Енергийната плътност е почти два пъти по-голяма от тази на най-добрата гума. И издръжливостта на такава батерия е много висока - въздухът не е гума, не се износва. Масата на въздушния акумулатор за автомобила ще бъде само 500 кг. Напълно възможно е да го инсталирате на автомобил като двигател. Вдъхновен от това откритие, побързах да споделя радостта си с моя приятел. Но той само се ухили в отговор и ми пъхна под носа новополученото списание, на което пишеше товане толкова отдавна италианците построиха въздушен превозвач, способен да измине повече от 100 км с едно зареждане с гориво.