Нурбей Гулиа - В поисках «энергетической капсулы»
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).