Как делать деньги из воздуха?

Воздушные суда с винтами – самолеты и вертолеты – летают, отбрасывая от себя воздух. А вот ветряные мельницы (рис. 234, а) известные с глубокой древности, никуда не летают, хотя имеют винт и исправно машут лопастями. Происходит процесс, очень близкий к тому, что имеет место в летательных аппаратах, но со своими особенностями. Воздух, перемещаясь относительно неподвижного воздушного винта, сам вращает его, вырабатывая энергию.

Рис. 234. Ветряная мельница (а) и ветроэлектростанция мощностью 600 кВт с башней в виде фермы (б) и в виде трубы (в)

«Мы делаем деньги из воздуха!» – гласит девиз одной из германских фирм, производящих ветроэлектростанции. И девиз этот полностью справедлив. Высотой свыше 100 м, стоят родичи ветряных мельниц – ветряки, группами и в одиночку, вырабатывая энергию из воздуха (рис. 234, а, б). А энергия – это деньги, причем с каждым годом все бо2льшие.

Чемпионом по деланию денег из воздуха являются США. Чуть отстает от них Германия, которая хочет в обозримом времени полностью избавиться от атомных электростанций, заменив их экологически а чистыми ветряками.

Автор является научным консультантом ряда немецких фирм, занимающихся ветроэнергетикой. Нет, создание новых лопастей для ветроколес – воздушных винтов не входит в круг его интересов. Но прежде чем рассказать, каким именно образом автор пытается помочь фирмам делать деньги из воздуха, полезно ознакомиться с тем, что же такое современная ветроэлектростанция.

Ветряки в основном делят на два типа – с горизонтальной осью вращения винта (транспортный аналог – самолет с пропеллером) и с вертикальной, или карусельного типа (аналог – вертолет). Пока наибольшее распространение имеет первый тип ветряков (почему «пока», будет сказано позже).

Ветроколеса (рис. 235) могут иметь разное число лопастей – три, две и даже… одну! Последнее немыслимо, например, для самолетов и вертолетов. Эта одна лопасть уравновешивается противовесом, иначе она может разболтать всю башню.

Рис. 235. Типы «ветряков»:

а – с одной лопастью, мощностью 5 МВт («Говиан – II»); б – с двумя лопастями («Боинг»); в – с тремя лопастями («Ютландия»); (размеры в метрах)

На вершине башни помещается гондола – машинное отделение ветроэлектростанции. Это только снизу гондола кажется такой маленькой. Автору приходилось забираться в гондолу мощных ветряков с башней в виде фермы на высоту 120 м. Никаких лифтов там нет (по крайней мере на тех ветряках, что посещал автор), и нужно карабкаться по узенькой открытой лестнице на высоту 40-этажного здания.

Гондола на этом ветряке размером с приличную квартиру и весом в 100 т (рис. 236). Внутри гондолы помещаются машины для преобразования вращения в электроэнергию. Так как ветроколесо крутится медленно – 30—40 оборотов в минуту, а вал генератора должен иметь не менее 1 500 – 1 800 оборотов в минуту, между ними размещается повышающая передача – мультипликатор весом около 10 т. Да и генератор весит не меньше. Все эти агрегаты во время работы очень горячие – не дотронешься! А рядом проносятся огромные ножи – лопасти в десятки метров длиной. И все это на головокружительной высоте, с которой люди на земле еле видны.

Рис. 236. Типичная ветроэлектростанция мощностью 100 кВт:

а – общий вид; б – лопасть и ее сечения; в – гондола: 1 – генератор; 2 – мультипликатор; 3 – ступица воздушного винта; 4 – сервопривод для установки гондолы «по ветру»

Конечно, ветряк вырабатывает даровую энергию, за нее можно только спасибо сказать. Но ветер дует не всегда, а если и дует, то с разной силой. Как следствие, мощность ветроэлектростанции далеко не постоянная, что нельзя отнести к ее достоинствам. Поэтому, когда позволяют возможности, ветряки объединяют в сети, чаще всего с общей энергосистемой страны или района.

А что же делать, когда энергией от ветряка питается, например, отдельное фермерское хозяйство? Тогда, прежде всего нужна дизель-электрическая установка (движок), которая запускается автоматически при штиле. Но такой штиль, а точнее пауза, длительностью от секунд до минут, может случаться несколько раз в день, если не в час. Что ж, каждый раз запускать движок?

Вот тут мы приближаемся к научным интересам автора. Чтобы не запускать движок так часто, используют различные виды аккумуляторов энергии – электрохимические, как в автомобилях, маховичные, конденсаторные. Электрохимические запасают значительную энергию, но до2роги, недолговечны, плохо работают в морозы и имеют малый КПД. Конденсаторы долговечны, но тоже дороги, а энергии запасают в сотни раз меньше (на единицу массы), чем электрохимические.

Маховичные накопители энергоемки, долговечны, имеют высокий КПД… А недостатки? Автор как разработчик не хочет их сам указывать. Пусть о недостатках заявляют конкуренты. Но, безусловно, хороший маховичный накопитель с малыми внутренними потерями, мягко выражаясь, дороговат. О маховичных накопителях энергии подробно написано в разделе «Магия вращательного движения» этой книги. А применять их в ветроэлектростанциях можно следующим образом.

Рис. 237. Маховичный накопитель на ветроэлектростанции:

1 – цепная передача; 2 – генератор; 3 – электропровода; 4 – маховик в корпусе

От ветроколеса длинный вал идет вниз и через повышающую передачу, например цепную, вращает генератор с сидящим на его валу маховиком или даже супермаховиком (рис. 237). Маховик помещен в корпус, из которого выкачан воздух для снижения потерь энергии на вращение. Маховик разгоняется во время порывов ветра и отдает энергию во время пауз. Если башня очень высокая, то генератор в гондоле связывается электропроводами с генератором маховика, образуя так называемый электрический вал. Обычный вал тогда уже не нужен. Расчеты, проведенные специалистами по ветроэнергетике, показали, что в большинстве случаев достаточно запаса энергии в маховике на 5 – 6 минут работы ветроэлектростанции на полной мощности. Тогда движок придется запускать очень редко.

В 30-х гг. прошлого века в городе Курске уже существовала ветроэлектростанция с таким маховичным накопителем, построенная талантливым изобретателем-самоучкой А. Г. Уфимцевым. Энергии маховика хватало для бесперебойного снабжения электроэнергией от ветряка средней мощностью 4 кВт двухэтажного дома изобретателя и даже для освещения части улицы, на которой он жил.

Автор, как специалист по маховичным накопителям, помогает немецким коллегам создавать такие накопители для ветроэлектростанций Германии.

Конечно, хорошо, когда ветряк дает электричество, которым можно и осветить, и обогреть дом. Но для освещения и работы других электроприборов – радио, телевизора – нужна лишь малая часть энергии, необходимой для обогрева помещения, нагрева воды для бытовых целей и т. д. Особенно это касается холодных северных районов, которыми богата Россия. А это уже, по мнению автора, можно сделать без генератора и всей сложной и дорогой электрической части ветряка (рис. 238, а).

Если имеется вертикальный вал, а он почти всегда присутствует на ветряках средней мощности, то с его нижней частью можно без всякого мультипликатора непосредственно соединить мешалку Джоуля, хорошо известную из школьного курса физики (рис. 238, б). Эта мешалка переводит механическую энергию в тепловую. Для нашего случая ее легко приготовить из большой 200-литровой бочки. Ветроколесо здесь карусельного типа, непосредственно посаженное на вертикальный вал; такое колесо удобнее ветроколеса с горизонтальным валом, требующего для передачи вращения на вертикальный вал дополнительной угловой передачи.

Рис. 238. Дом, отапливаемый мешалкой Джоуля, приводимой от ветроколеса (а) и мешалка Джоуля (б)

При вращении ветроколеса вода в мешалке, перемешиваемая лопастями, нагревается, совсем как в опытах Джоуля. Горячая вода по патрубкам может направляться в батареи отопления или для других целей. А уж коли мы заговорили о ветряках карусельного типа, то нельзя не упомянуть о чудо-ветряке, недавно разработанном немецкой фирмой Краус (рис. 239)! Этот чудо-ветряк по своим показателям настолько превосходит обычные ветряки, что в его существование верится с трудом. Но он испытан, и вот что показали испытания.

Рис. 239. Перспективный ветряк

При мощности 300 кВт ему требуется башня всего в 10 м вместо 40 и более для обычных ветряков. Выработка электроэнергии в год – 1,5 млн кВт·ч вместо 0,6 млн кВт·ч. Ветряк не требует установки колеса по ветру, он стационарен и похож на невысокую тумбу. У него настолько высокий КПД (называемый коэффициентом использования ветра) – около 60 %, что в это отказываются верить специалисты.

Если все сказанное про новый ветряк действительно правда, то скоро мы станем свидетелями повсеместного проникновения ветроэнергетики в нашу жизнь, или «сплошной анемофикации мира», о которой мечтал А. Г. Уфимцев – «поэт техники», как назвал его Максим Горький. карусельного типа

Плывем против… здравого смысла?

Парадоксы случаются не только с полетами в воздухе. Даже с плаваньем (правильно – «хождением») парусных судов, известных тысячелетия, связано немало удивительного. Например, мы знаем, что эти суда движет ветер. Значит, куда дует ветер, туда судно и идет. Но идти против ветра? Это вопреки здравому смыслу. Как же могут парусные суда идти против ветра, или, по выражению моряков, идти в бейдевинд?

Рассмотрим, как действует ветер на парус, т. е. куда он толкает парус, когда дует на него. Обычно думают, что ветер всегда толкает парус в ту сторону, куда сам дует. Но это не так: куда бы ветер ни дул, он всегда толкает парус перпендикулярно его плоскости. Покажем это.

Пусть ветер дует в направлении, указанном стрелками на рис. 240, а, линия АВ изображает парус. Так как ветер давит равномерно на всю поверхность паруса, то заменяем силу давления ветра силой R, приложенной к середине паруса. Эту силу разложим на силу Q, перпендикулярную парусу, и силу F, направленную вдоль него вперед. Сила F никуда не толкает парус, так как трение ветра о ткань незначительно. Остается сила Q, которая толкает парус под прямым углом к нему. Теперь легко сообразить, как может парусное судно идти под углом навстречу ветру.

Рис. 240. Схема сил, действующих на парус (а) и лавировка судна, идущего «галсами» против ветра (б)

Пусть линия КК изображает киль судна. Ветер дует под углом к этой линии в направлении, указанном стрелками. Линия АВ изображает парус; его помещают так, чтобы плоскость его делила пополам угол между направлением киля и направлением ветра, напор ветра на парус мы изображаем силой Q, которая, как мы знаем, должна быть перпендикулярна парусу. Силу эту разложим на R, перпендикулярную килю, и силу S, направленную вперед, вдоль килевой линии судна. Так как движение судна в направлении R вызывает сильное сопротивление воды, потому что киль в парусных судах делается очень глубоким, то сила R почти полностью уравновешивается сопротивлением воды. Остается одна лишь сила S, которая направлена вперед и, следовательно, двигает судно под углом, как бы навстречу ветру. Сила S получает наибольшее значение именно тогда, когда плоскость паруса делит пополам угол между направлениями киля и ветра. Обычно это движение в бейдевинд выполняется зигзагами – галсами, как показано на рис. 240, б.

Конечно, можно делать парус в виде ветродвигателя или установленной на судне ветряной мельницы, которая будет вращать гребной винт корабля. Если представить себе воду в виде твердого тела, например, винта с наворачивающейся на него гайкой, связанной с судном, а гайку эту будет вращать ветряк на этом же судне, то вообразить движение судна прямо против ветра можно. Известный ученый академик Петр Леонидович Капица писал о принципиальной возможности судов такого типа с приводом гребного вала именно от ветряка. Но представить себе безмоторную баржу, движущуюся против течения реки, можно лишь с большим трудом, даже если эта баржа снабжена водяным колесом, вращающимся от самого течения. Получается движение внутренними силами, чего быть не должно.

Однако хитроумный русский механик-самоучка И. П. Кулибин, так поднаторевший в строительстве «вечных двигателей», осуществил и это. Проезжавшая по набережной Невы Екатерина II была поражена, увидев, как баржа без парусов бодро двигалась против течения реки. Естественно, моторных судов, по крайней мере на Руси, тогда не было, и двигать баржу против течения могла только нечистая сила. Или хитрость Кулибина.

Как же удалась эта хитрость? На барже (будем так называть это безмоторное судно) были установлены водяные колеса (рис. 241, а), такие, как на первых колесных пароходах (рис. 241, б). Баржа становилась на якорь, который отвозили на лодке далеко против течения и бросали там. Оставалась связь – веревка, один конец которой был прикреплен к якорю, а другой – к валу водяных колес.

Течение воды вращало колеса, веревка наматывалась на вал и тащила баржу вперед против течения (рис. 242). Когда баржа достигала якоря, его приходилось снимать и снова отвозить вперед. Баржа в это время становилась на другой якорь. Вот с такими трудностями приходилось барже идти против течения. Но делать было нечего, альтернатива – бурлаки (вспомните знаменитую картину Репина «Бурлаки на Волге»).

Рис. 242. Схема действия судна Кулибина, идущего против течения

Раздумывая над проектом П. Л. Капицы (судно, которое в определенных, очень узких рамках соотношения мощности и скорости вращения ветряка, а также водяного винта могло в принципе крайне медленно, но двигаться против ветра), автор пришел к выводу, что, имея хотя бы один якорь, можно двигаться быстрее. Причем никуда этот якорь отвозить не надо, это обычный якорь, который имеется на всех судах.

Вариант первый: судно с ветряком, движущееся против ветра. Судно стоит на якоре, ветряк вращается, разгоняет маховик – накопитель энергии. Когда маховик наберет достаточную энергию, его соединяют с винтом корабля и поднимают якорь. Маховик, развивая большую мощность (а он в принципе может развить любую мощность, которую выдержат валы), быстро движет судно против ветра, как если бы на этом судне был мощнейший двигатель. Когда энергия маховика иссякает, судно становится на якорь, и все повторяется снова.

Вариант второй, более приемлемый: судно с водяными колесами, наподобие Кулибинского. Но водяные колеса никакую веревку не наматывают, а так же, как и в первом случае, разгоняют маховик. Судно, конечно же, стоит на якоре. Когда энергии в маховике накопится достаточно, его соединяют с этими же колесами, но с другим передаточным отношением, чтобы они вращались гораздо быстрее. Судно снимается с якоря и, двигаясь против течения, преодолевает переход определенной длины, пока хватит энергии маховика. Затем сбрасывается якорь, и все повторяется снова.

Этот вариант можно с успехом применять на реках, имеющих быстрое течение (как Днепр, например), где имеется ряд остановок вдоль берегов. Вниз по течению судно идет само собой, останавливаясь на стоянках, где входят и выходят люди, заносят грузы и т. д. При этом даже на якорь становиться не надо, судно зачаливается к пристани, как обычно.

А когда надо возвращаться и идти против течения, все выполняется, как уже было описано, с той разницей, что судно не становится на якорь, а как раньше зачаливается на пристани. Таким образом, судно с колесно-маховичным движителем может плыть против течения без топлива, делая все те же остановки, как с обычным дизельным двигателем, но не расходуя горючее и не задымляя воздух. Никто, конечно, не мешает оснастить дополнительно и ветряком по первому варианту.

А после таких проектов, чем-то напоминающих «перпетуум-мобиле», но тем не менее реальных, посмотрим, что же еще необычного связано с судами в реках.

Если в узком фарватере (например, в канале или реке, ограниченной неширокими берегами), плывет моторное судно, как мы по старинке называем пароход, то берегитесь оказаться на лодке, а тем более плыть впереди него на небольшом расстоянии. Нам обычно кажется, что корабль толкает перед собой воду, уровень воды перед ним повышается и нас должно отбросить от корабля подальше. Что ж, так бы оно и было, будь этот корабль, допустим, парусным. Но с моторным судном, которое движет гребной винт, дело обстоит иначе.

При подходе судна вода перед ним начинает убывать, причем падение уровня может достигать даже порядка 1 м. (На Москве-реке, в районе Кунцево-Мневники, автор наблюдал падение уровня воды перед судном в 0,5 м, но там еще очень широкий фарватер.) Из этой ямы ни пловцу, ни лодке уже не выбраться, и они прямиком следуют под винт корабля. Так что помните об этом!

Почему же такое происходит? Да потому, что винт корабля, действуя как мощный насос, перегоняет воду спереди назад, двигая корабль в противоположном направлении, то есть вперед. Вот и падает уровень воды перед кораблем, отсасываемой винтом и отбрасывамой назад. А позади судна уровень воды, как и следовало ожидать, повышается (рис. 243). Можете в этом сами убедиться, лучше всего стоя на берегу какого-нибудь узкого судоходного канала.

Рис. 243. Падение уровня воды перед моторным судном

Уж если говорить об опасностях на реках, то нельзя не упомянуть о водоворотах. моторным судном Здесь многое напоминает описанное падение воды перед кораблем – та же яма в центре водоворота, из которой очень трудно выбраться. К тому же быстрое течение воды по кругу в водовороте втягивает человека из-за пониженного давления в потоке и не дает выбраться из него. Если, не дай Бог, попадете в такое положение, то запомните, что надо делать.

Рис. 244. Выплывание из водоворота

Не тратьте энергии на силовое выплывание из водоворота по поверхности воронки (рис. 244, фигурка на поверхности воронки). Дайте водовороту покрутить себя немного, а при этом старайтесь отдохнуть, набраться сил и сосредоточиться. Затем вдохните побольше воздуха, поднырните вглубь и под водой энергично выплывайте из водоворота наружу. Чем дальше отплывете от воронки водоворота, тем лучше. И только потом выныривайте, продолжая и на поверхности плыть прочь от опасного водяного вихря.

Как ведет себя жидкость… в ловушке?

Жидкости, в отличие от газов, практически несжимаемы, почти как твердые тела. И это определяет их интересное поведение, если они оказываются в ловушке.

Рис. 245. При резком закрывании пальцем струи воды из трубки наступает «гидравлический удар», и вода фонтанирует из бокового отверстия в трубке

Например, если трубку, в которой быстро течет вода, внезапно перекрыть, то энергия движущейся воды может наделать бед. Так как жидкость сжимается с большим трудом, то скоростной напор воды развивает очень высокое давление, нередко рвущее трубы. Это явление называется гидравлическим ударом. Поэтому в квартирах и делают краны медленно закрывающимися, чтобы не возникало гидравлических ударов. Можно достаточно просто в домашних условиях построить установку, демонстрирующую гидравлический удар, она хорошо видна на рис. 245. Но не стоит забывать, что трубка в нашем случае резиновая, она растягивается. Если гидравлический удар наступает в стальных трубках, то давление нарастает значительно резче.

Но нет худа без добра – гидравлический удар можно заставить работать и на пользу. Как мы видим, фонтанчик при гидравлическом ударе поднимается достаточно высоко. Так можно подавать воду наверх, причем без насосов и затраты энергии. Устройство, позволяющее это делать, называется гидравлическим тараном.

Представьте себе, что в горной местности внизу течет родник, а наверху находятся поля, которые нужно орошать. Чтобы поднять воду вверх, нужны насосы и электричество, которое не всегда имеется и которое стоит денег. Вот и устанавливают на роднике гидравлический таран – устройство для создания гидравлического удара, аналогичное тому, которое мы продемонстрировали в домашних условиях. Но вместо пипетки в магистральную трубу вставлена другая, поднимающаяся наверх, да еще с обратным клапаном на конце, чтобы вода каждый раз не сливалась вниз. И магистральную трубу, по которой течет вода родника, перекрывают не пальцем, а особым клапаном, который автоматически срабатывает тогда, когда скорость истечения воды через него наибольшая. Чем больше скорость, тем меньше давление, вот клапан и засасывается, перекрывая ток воды и создавая гидравлический удар. Давление в трубах растет, и избыток воды выплескивается наверх. Что там с ним делают – собирают в бочки, бассейны, распределяют по полям или что другое, – нас уже не интересует. Главное – вода сама пошла наверх, причем иногда поднимаясь на десятки метров.

Как только давление в магистральной трубе падает, да и ток воды прекращается, клапан открывается снова, вода начинает течь в трубе, и все повторяется. А тараном устройство названо потому, что при его работе слышны методично чередующиеся удары, почти как в древности у таранов, которыми пробивали стены.

Надо сказать, что устройство это за годы сплошной «электрификации всей страны» забыто, а сейчас, когда все дорого и надо экономить, можно о нем и вспомнить, если хочется бесплатно днем и ночью поднимать воду из текущего ручья наверх.

Вот так ведет себя вода в ловушке, когда еще может из нее вырваться.

А бывает, что жидкость специально загоняют в такие ловушки, из которых ей вырваться не так уж просто, и в этих случаях она развивает огромное давление.

И как раз эти случаи, в отличие от таранов, используются в технике чрезвычайно широко. Взять хотя бы смазку машин.

Мы часто понимаем смазку достаточно примитивно: без нее деталь по детали скользит с трудом; полили жидким маслом или намазали пластичной смазкой – она стала скользить легче. Но это совсем не та смазка, которая в основном используется в технике и машиностроении. Этой примитивной смазкой мы просто несколько понижаем коэффициент трения скольжения одного твердого тела по другому, и все. Но если загнать масло в «ловушку», то происходят буквально чудеса.

Рис. 246. Неподвижный вал (цапфа) во втулке (а) и вращающаяся цапфа, всплывшая во втулке (б)

Чудо первое – гидродинамическая смазка. Представим себе вал, свободно, то есть с каким-то зазором, сидящий во втулке (рис. 246, а). Все это находится в жидком масле. Пока вал не вращается, он лежит на втулке и касается ее. Но если вал начинает вращаться, то как бы всплывает во втулке и перестает ее касаться. Между валом и втулкой образуется масляный клин, иначе говоря, масло, загнанное в ловушку.

Дело в том, что масло, захватываясь вращающимся валом, там, где зазор его со втулкой еще велик, загоняется фактически в тупик – туда, где зазора-то между валом и втулкой еще не появилось, пока вал лежал на втулке. Давление масла сильно растет, и оно поднимает вал, образуя небольшой зазор, даже если на вал давят большие силы (рис. 246, б). Это давление может достигать сотен мегапаскалей и более, вывешивая валы, на которые давят десятки тонн.

Вот так и работают подшипники скольжения, напри– Масло мер, во всех автомобильных, тракторных и других подобных двигателях. Вал (его называют шипом или цапфой) при его вращении совершенно не касается втулки, эти детали практически не изнашиваются. Обычно думают, что подшипники качения создают сопротивлений меньше, чем скольжения. Но это неверно – подшипники скольжения, которые работают на масляном клину, или, как говорят, в режиме гидродинамической смазки, имеют трение меньше, чем лучшие шариковые. Они лучше, чем шариковые, выдерживают удары, гасят вибрации, меньше шумят. Единственное, чего не любят такие подшипники, – это низких скоростей вращения, когда масло не образует клина и металл цапфы трется о металл втулки. Это случается в основном во время пусков двигателей, когда валы вращаются еще медленно. И как раз в это время и происходит основной износ подшипников скольжения.

Такие же масляные клинья образуются и между зубьями зубчатых колес и шестерен, работающих в масле. Если мы поцарапаем, например, алмазом, рабочую поверхность такого зуба и пустим работать зубчатую передачу с постоянным быстрым вращением, без частых пусков и остановок (например, в приводе насосов или вентиляторов), то даже через несколько лет царапина будет видна. Еще бы – зубья передачи практически не касаются друг друга и не изнашиваются, между ними все то же масло, загнанное в ловушку, – масляный клин (рис. 247).

Рис. 247. Слой масла, «запертый» между зубьями передач

Металл, как бы мы его чисто ни обработали, имеет неровности, выглядящие под микроскопом как горные хребты. И вот эти хребты одной поверхности скользят по хребтам другой (вала по втулке, одного зуба по другому и т. д.), ломая и круша вершины (рис. 248). Так бывает, если трение сухое, без масла, или даже со смазкой, но не загнанной в клин. Налили, допустим, масла на лист железа и тащим по нему другой лист. Крушение микроскопических гор и хребтов – это интенсивный износ материала, служить он будет недолго. Но если между поверхностями создается клин масла, то микронеровности не касаются друг друга своими вершинами, и скольжение идет без их разрушения, без износа (рис. 249). Вот пока и все о чуде гидродинамической смазки.

Рис. 248. Износ поверхностей при «сухом» трении

Рис. 249. Слой масла разделяет микронеровности поверхностей (износа нет)

Чудо второе – «остекленение» масла при больших давлениях. Запертое в ловушку, зажатое между двумя вращающимися и прижатыми друг к другу силами F катками, масло как бы густеет, «стекленеет», начинает передавать нагрузку сдвига. Вообще жидкости не могут работать на сдвиг – тогда они бы не принимали форму того сосуда, куда их наливают. Но тонкие пленки масла при быстро возникающих и прекращающихся давлениях порядка 1 ГПа (1 000 МПа) начинают вести себя как желе, студень или даже стекло – передавать нагрузку сдвига. Таким образом, каток 1 на рис. 250 начинает везти, вращать каток 2 через слой, а вернее, пленку сдавленного масла толщиной около одного микрометра. Впечатление такое, что один каток ведет другой обычным трением, но это не так: между катками слой масла, катки друг друга не касаются. Электрический ток, например, не передается от одного катка к другому при их вращении из-за образования между ними этой пленки масла. Между неподвижными катками, разумеется, есть контакт, и ток проходит от одного к другому.

Рис. 250. «Остекленевшее» масло между вращающимися прижатыми друг к другу катками:

1 – ведущий каток; 2 – ведомый каток масла.

Сила, передаваемая «остекленевшим» маслом, невелика, она в несколько раз меньше силы обычного трения при тех же нагрузках, но ведь нет интенсивного износа, столь характерного для сухого трения. Поэтому такое «остекленевшее» масло используют в бесступенчатых передачах – вариаторах, которые приходят на смену сегодняшним ступенчатым передачам. Коробки передач автомобилей, тракторов, других транспортных машин, коробки скоростей станков – все они пока в основном ступенчатые. До двадцати передач надо иногда переключать в автомобилях, тракторах и станках. А бесступенчатая передача меняет скорость плавно, и в этом ее огромное преимущество. Скоро ступенчатых передач вообще не будет (на автомобилях, тракторах и станках, по крайней мере).

Рис. 251. Лобовой вариатор от первых легковых автомобилей

Как же устроены бесступенчатые передачи? Они в действительности очень хитры и труднодоступны. Поясним их принцип на примере самой простой (но не самой лучшей!) из них (рис. 251). Называется она лобовой, потому что два катка – диска – здесь прижаты друг к другу как бы лбами. Если большой диск (слева) вращается от мотора с постоянной скоростью, то скорость маленького зависит от его положения на оси. В нижнем крайнем положении эта скорость максимальна; с приближением к центру она падает, в самом центре большого малый диск вообще остановится, а на верхней стороне большого малый диск начинает вращаться уже в другую сторону. Казалось бы, идеальная коробка передач, да она и применялась на ранних легковых автомобилях. По крайней мере, приведенная на рис. 251 передача – именно автомобильная. Большой диск связан с двигателем, а малый – с колесами, через понижающую передачу, разумеется.

Первые вариаторы работали всухую, и срок службы их был очень невелик. Потом стали применять вариаторы со смазкой, вернее, с масляной пленкой между дисками. Современные вариаторы мало похожи на первые, они намного сложнее и хитрее. На рис. 252, например, представлен перспективный вариатор для коробок передач автомобилей, разработанный автором в содружестве с автозаводом АМО ЗИЛ и рядом зарубежных фирм (патенты России № 2138710 и 2140028). Видно, что дисков в нем уже не два, а много, к ним постоянно подается масло; диски автоматически сжаты между собой с переменной силой, соответствующей нагрузке, передаваемой приводом, и коэффициенту трения между дисками.

Рис. 252. Перспективный вариатор для бесступенчатых передач мощных автомобилей

И еще очень важная особенность нового вариатора – он самостоятельно, автоматически меняет свое передаточное отношение от нагрузки. Это свойство называется адаптивностью, приспособляемостью. Допустим, пошел автомобиль с таким вариатором в гору, нагрузки увеличились, и скорость движения его падает. Но падает не из-за двигателя – он продолжает вращаться с той же скоростью, а из-за вариатора, автоматически приспособившегося к новым нагрузкам. Эта адаптивность может еще и меняться по желанию водителя. Вариаторов с такими свойствами раньше просто не существовало.

Для вариаторов разработано особое, высокотяговое масло – трактант, стекленеющее сильнее других. Это масло выпускается в основном в США, но опытными партиями – в Германии и России.

Вот как ведет себя жидкость, в данном случае масло, попавшее в ловушку: оно и снижает трение в подшипниках, и повышает его в вариаторах, помогая передавать вращение без ступеней, повышая срок службы машин, механизмов.

Как-то на одном из американских автозаводов решили проверить, сколько сможет проехать автомобиль без капли масла. Машина со страшным скрипом проехала несколько десятков метров и остановилась. Ремонту она больше не подлежала.

ТЕПЛО И СИЛА

Что вы знаете о теплоте?

«Тепло и сила» – так назывались двигатели, выпускаемые в России в начале прошлого века. Чудо, а не двигатели. Их можно было топить дровами, соломой, углем, торфом – чем угодно. При этом они не были паровыми и были гораздо экономичнее. Ими можно было приводить в движение любую сельхозтехнику (веялки, мельницы, насосы) и даже обогревать помещение. Сейчас таких, к сожалению, не выпускают. Но осталось название, которое как нельзя более подходит к нашей новой главе, в которой речь пойдет о теплоте и ее использовании, в частности, для выработки энергии.

Но прежде всего хотелось задать вам, дорогие читатели, несколько вопросов, чтобы определить, что вам известно о теплоте. По крайней мере, вы сами узнаете, сколько парадоксов таит в себе это понятие. Конечно же, на каждый вопрос будет тут же дан ответ, но вы не спешите в него заглядывать, а сначала попытайтесь ответить сами.

Вопрос первый (из трех составляющих). Говорят, что межпланетная среда, в которой находится наша Земля, имеет температуру около 1 500 000 °С. Может ли такое быть – ведь именно в этой среде летают космические корабли, выходят «погулять» космонавты и, как известно, не сгорают? Как с этим согласуется утверждение о космическом холоде, о том, что в тени там царят стоградусные морозы? И еще: если в межпланетном пространстве действительно такая высокая температура, то как ее измерить? Ведь от 1 000 000 °С не то что расплавится, а мгновенно испарится любой термометр.

Ответ. Действительно, температура солнечной короны, которая простирается на расстояние в несколько десятков радиусов Солнца и в которую попадает наша Земля, 1 000 000 – 2 000 000 °С (тут уж безразлично, по какой шкале – Цельсия или Кельвина, разница в 273 °С здесь несущественна, хотя правильнее измерять термодинамическую температуру в кельвинах). Эта корона состоит из высокоионизированной плазмы – «солнечного ветра», частиц, несущихся (на уровне орбиты Земли) со скоростью 400 км/с – в сотни раз быстрее, чем у молекул при комнатной температуре. При этом число этих частиц всего несколько десятков в 1 см3. Исходя из этих данных легко узнать температуру, которая определяется из молекулярно-кинетической теории, изложенной, например, в учебнике физики для 10 класса. Согласно этой теории температура прямо пропорциональна средней кинетической энергии частиц. При скоростях в сотни км/с температура достигает миллионов градусов; с учетом множества факторов эта температура и составляет 1 000 000 – 2 000 000 К.

Из-за чрезвычайно малой концентрации частиц нагреть, а тем более расплавить или испарить космические корабли солнечная корона не может; не в состоянии она по той же причине и сколько-нибудь существенно поднять температуру тел в Космосе. Луна, например, имеет на теневой стороне температуру всего 120 К, или около – 150 °С.

Измеряют температуру межпланетной среды, конечно же, не термометрами, которые эта среда практически не нагреет опять же из-за ничтожной концентрации, а косвенными методами, например, по скорости движения частиц, которую можно измерить достаточно точно.

Вопрос второй. Известно, что в саунах температура воздуха достигает 120—140 °С, что гораздо выше температуры кипения воды; при такой температуре можно запросто готовить яичницу или запекать яйца вкрутую. Каким же образом человек не только выдерживает эту температуру, но еще получает удовольствие, нисколько не запекаясь? Какую максимальную температуру может вообще выдержать человек?

Ответ. Температура воздуха в саунах регламентирована в пределах 90 – 140 °С при относительной влажности 5 – 15 %. Это очень низкая влажность, и в ней все дело. Чрезвычайно сухой воздух сауны способствует быстрому испарению воды из тела человека, главным образом через легкие, имеющие огромную поверхность, а также с поверхности тела через потоотделение. Испаряясь, вода поглощает большое количество тепла (так называемую теплоту парообразования) и интенсивно охлаждает тело человека. Известно, что если не пополнять запас жидкости в теле человека за счет чая и других напитков, то за одно посещение сауны можно потерять в весе несколько килограммов из-за испарения воды. Поэтому-то температура тела человека и держится в узких, дозволенных природой и системой терморегуляции человека рамках даже при более высоких температурах. Известен опыт немецких ученых, когда несколько человек пробыли порядка 10 минут при температуре +210 °С в очень сухом воздухе.

Рис. 253. В сауне рядом с лежащим человеком можно готовить обед

Однако достаточно повысить влажность воздуха в сауне, как переносимость температуры резко падает. Если вылить на камни в сауне достаточное количество воды (что иногда делают не очень грамотные посетители), то запросто можно обжечь всех присутствующих. Не следует путать финскую баню-сауну с русской парилкой, где влажность гораздо выше, а температура ниже.

Что же касается варки яиц в сауне, то автор часто это делает, причем на той же полке, где лежит сам (рис. 253). Обычно это изумляет всех присутствующих, а яйца получаются очень вкусными – с крутым желтком и мягким белком, что очень необычно.

Вопрос третий. Опять о бане, на сей раз русской. Чтобы высушить парилку, нередко открывают в ней окошко, устраивают сквозняк, особенно в мороз. Пар так и валит оттуда внутрь помещения. Как же может этот пар осушить и без того влажное помещение парилки?

Ответ. Зд<