Нурбей Гулиа - В поисках «энергетической капсулы»
Быстрее крутить нельзя
Все, что я прочел про маховики, все, что продумал за это время, помогло мне поверить в большие возможности этих накопителей энергии. Однако повысить плотность энергии маховика в сто раз – дело нешуточное. Что же мешает решить эту задачу? Попробуем разобраться.
Швейцарский гиробус проходил до остановки шесть километров. Четыре из них он шел с приличной скоростью, вполне вписываясь в городское движение. Но почему не больше? Почему, например, не двадцать километров, что позволило бы открыть в городах линии маховичных автобусов без двигателя и без горючего?
Чтобы пройти впятеро больший путь, гиробус должен запасать во столько же раз больше энергии. Для этого совершенно не обязательно крутить маховик в пять раз быстрее, достаточно увеличить число оборотов примерно в 2,24 раза. То есть нужно разогнать маховик гиробуса до шести-семи тысяч оборотов в минуту. Казалось бы, чего проще? А вот ученые утверждают, что нет.
Обычно опыты с маховиками проводят на специальном стенде, помещенном глубоко под землей. Маховик там подвешивают в особой камере, из которой выкачивают воздух. Крутят маховик воздушной турбиной, если он легкий, или мощным электромотором, если он тяжелый, как маховик гиробуса.
До четырех-пяти тысяч оборотов в минуту маховик внешне ничем не меняется – если его остановить и измерить самыми точными приборами, все будет как прежде. Но уже при оборотах, близких к пяти тысячам в минуту, маховик как бы «раздается» в стороны, его диаметр сильно увеличивается, и после остановки маховик не возвращается к прежним размерам. Чем это вызвано?
Из физики известно, что каждое массивное тело стремится либо двигаться равномерно и прямолинейно, либо находиться в покое. При вращении маховика сила сцепления его частиц, определяющая прочность данного материала, заставляет эти частицы сворачивать со своего «естественного» прямолинейного пути и «ходить по кругу». И частицы начинают «растягивать»
маховик, пытаясь его разорвать, что дало бы им возможность двигаться равномерно и прямолинейно.
Теперь находиться вблизи маховика чрезвычайно опасно. Совсем небольшого увеличения скорости вращения может быть достаточно, чтобы маховик вдруг резко вытянулся и разорвался, как точильный круг. Только если осколки точильного круга легко удерживаются тоненькими защитными кожухами, то осколки маховика массой по полтонны (а маховики почему-то чаще всего разрываются на три части) способны наделать много бед. Я слышал, что при разрыве маховика в подвале одной старой фабрики осколок пробил все междуэтажные перекрытия и вылетел вверх, а уже падая вниз, еще раз пробил крышу.
Маховик гиробуса в момент разрыва обладал бы энергией, которой хватило бы для пробега машины километров на двенадцать – восемнадцать. Но не доводить же маховик каждый раз до опасного предела. Поэтому, как правило, прочность маховика используют всего на одну треть, что во столько же раз снижает его энергоемкость, а стало быть, и пробег гиробуса. Вот откуда те самые четыре – шесть километров, о которых упоминалось выше.
Итак, по каким причинам нельзя накопить в обычном маховике больше энергии? Во-первых, это малая прочность материала, из которого он изготовлен. Крупные отливки или поковки даже из лучших сортов стали не слишком прочны. В таких изделиях невозможно избежать мельчайших дефектов, сильно уменьшающих прочность всего маховика. Во-вторых, чем прочнее литой или кованый маховик, тем опаснее его разрыв, если он приключится, и тем больший запас прочности понадобится, чтобы уберечь маховик от разрыва.
«А что, если изменить форму маховика? – подумал я. – Например, разместить всю массу на периферии, превратив маховик в тяжелый обод, связанный с центральной частью тонкими спицами, как в велосипедном колесе?»
Оказывается, специалисты уже пытались это сделать. По сравнению с кругом древнего гончара и впрямь получалось лучше. Такой маховик накапливал энергии в каждом килограмме своей массы раза в полтора больше. Однако потом точные расчеты показали, что выгоднее помещать массу не дальше от центра, а, наоборот, ближе к центру, вследствие чего появились маховики, тонкие по краям и утолщающиеся к середине, – диски «равной прочности». Как это ни удивительно, но энергии они могли накопить раза в два больше, чем обод со спицами, и в три раза больше, чем гончарный круг, при той же массе маховика.
Так я пришел к важному для себя заключению: энергия каждого килограмма массы маховика зависит от его формы и от прочности! Математическое доказательство этого я дал позже, когда уже окончил институт, а пока по мере своих возможностей высчитал, что если с изменением формы с самой худшей на самую лучшую прибавка энергии незначительна, максимум в три раза, то, повышая прочность, можно во столько же раз увеличивать плотность энергии, причем это увеличение ничем не ограничено. Правда, тут получался порочный круг. Непрочный, например глиняный, маховик накапливает мало энергии, но разрыв его не так уж опасен, а прочный, скажем, стальной, может накопить большую энергию, однако разрыв его столь опасен, что приходится заботиться о повышении запаса прочности. А это опять-таки равносильно снижению прочности.
Конструкторам маховиков никак не удавалось вырваться из этого замкнутого круга, поэтому и вынуждены были маховики играть вторую, если не третью, роль среди накопителей энергии...
Одним выстрелом – двух зайцев
Решение я нашел не сразу. Долго старался всякими хитроумными способами увеличить прочность маховика – ничего не выходило. Попытки уменьшить последствия разрыва надрезанием обода на мелкие части – чтобы осколки были поменьше размером, тоже ни к чему не привели. Я вспомнил, что так же надрезали корпуса гранат-лимонок, но безопаснее они от этого не стали. Напротив, осколков прибавилось, и граната увеличила убойную силу.
Помогли мне здесь, как это ни странно, занятия гиревым спортом. Чтобы укрепить кисти рук, мы клали на два крючка ломик и медленно наворачивали на него тоненький стальной тросик с тяжелой гирей на конце. Свитый из проволок, этот тросик никогда не рвался сразу, а всегда постепенно, проволочка за проволочкой. Разумеется, о высокой прочности стальных проволок и тросов из них я знал и раньше, но до сих пор это как-то не увязывалось в сознании с массивным маховиком. И вот теперь, когда заброшенный на антресоли тросик случайно попался мне на глаза, я чуть было не воскликнул: «Эврика!» – и решил: маховик нужно делать из троса!
Я взял кусок троса в метр длиной, зажал его посередине в кольцевом зажиме – оправке, а саму оправку посадил на вал. Получился хоть и необычный, но маховик. Такие маховики в дальнейшем были названы супермаховиками.
В чем преимущества супермаховика? Если вращать вал с оправкой и тросом в ней, то трос, как и обычный маховик, накопит кинетическую энергию. При этом частицы троса, стремясь двигаться по инерции, будут все сильнее растягивать его, пытаясь разорвать. Наибольшая нагрузка тут приходится на середину троса. При увеличении скорости сверх меры трос начнет рваться, но рваться по частям, по одной проволочке. А тоненькие проволочки не способны пробить даже легкий защитный кожух. Стало быть, супермаховик из троса разрывается безопасно!
Однако это еще не все. Дело в том, что огромная прочность проволочек троса дает возможность супермаховику накапливать значительные количества энергии. Если прочность стальной струны выше прочности монолитного стального куска раз в пять, то супермаховик из струны при прочих равных условиях накопит энергии во столько же раз больше, чем обычный маховик с той же массой. Но ведь условия-то совсем не одинаковые!
Обычный литой маховик, разорвавшись, способен наделать много разрушений, а разрыв супермаховика снаружи даже и не заметишь. Выходит, супермаховику не нужен слишком большой запас прочности, и его следует уменьшить примерно вдвое по сравнению с маховиком. То есть получается, что супермаховик из троса может накопить в каждом килограмме массы в десять раз больше энергии, чем обычный стальной маховик. И при этом его разрыв безвреден для окружающих! Эти качества, присущие именно супермаховику, – высокая плотность энергии и безопасность разрыва – приблизили его к «энергетической капсуле».
Несмотря на то, что я был необычайно рад моей находке, идея вращать трос «поперек себя» мне не очень нравилась. Такой трос, помещенный в кожух, оставит там много свободного места, он будет бесцельно взбаламучивать воздух, как пропеллер, затрачивая на это энергию. Да и разорваться подобный супермаховик может, в принципе, целиком – оторвавшаяся проволочка не мешает свободно рваться другим. А это совсем нежелательно.