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 Альбрехт 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 XX веке «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 – веломобилей или педикаров, которым еще предстоит это сделать. Ряды сегодняшних «изобретателей велосипедов», в хорошем понимании этого словосочетания, 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 сидело еще два пассажира. Между тем, по отзывам очевидцев, «самокатка» И. П. 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, он же слуга, вращая педали, раскручивал маховик, расположенный под сиденьем, после чего уже сам маховик посредством механической передачи приводил в движение колеса.
Маховик не единственный накопитель энергии, использованный И. П. Кулибиным в «самокатке». Он применил в качестве тормоза специальные пружины, способные накапливать энергию экипажа при торможении. Пружины помещались в тормозном барабане, служившем одновременно сцеплением и коробкой передач. Можно только удивляться гению Кулибина, почти на полтора столетия опередившего техническую мысль того времени.
В Политехническом музее в Москве демонстрируется прекрасная действующая модель «самокатки» Кулибина в масштабе 1:5. Измерив модель, я определил диаметр маховика и массу обода. В натуральную величину они составляли 1,5 м и 50 кг, соответственно. Считается, что человек, спокойно работая ногами, способен развить мощность около одной десятой лошадиной силы. Учитывая потери энергии маховика при трении 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 маховика, но и при этом маховик Кулибина мог накопить около 800 Дж/кг, а всего – около 40 кДж. Полагая, что масса экипажа была примерно 400 кг и соответственно сила сопротивления его движению по дороге около 0,1 кН (килоньютон), я определил путь, который могла пройти «самокатка» только равен 400 м. Для преодоления встретившегося подъема «самокатке» достаточно было энергии самого маховика. А ведь при этом человек тоже не переставал работать педалями. Поэтому наблюдателям и казалось, что «самокатка» в гору шла быстрее, чем по равнине.
«Самокатка» И. П. Кулибина – прекрасный пример удачного использования маховика на транспорте, даже соотношение масс маховика и экипажа словно взято из современных справочников!
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 ма-ховоза 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 просто 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 под давлением тяжести самих маховиков. 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.
Набирая кинетическую энергию на спусках или на ровном пути при помощи паровоза, маховоз должен был помогать поезду преодолевать крутые подъемы. Допустим, сам паровоз может преодолеть уклон только в 5 тысячных (подъем на 5 метров за 1 километр пути), а с маховозом он взойдет по подъему, в три раза более крутому, из которых 2/3 подъема будут преодолены за счет энергии маховоза и лишь 1/3 – самого паровоза.
Шуберский предлагал использовать свое изобретение и для поездок «малыми поездами» на небольшие расстояния. Например, если прицепить к маховозу один пассажирский вагон массой 625 пудов (10 т), то этот поезд при разгоне его паровозом до скорости 28 верст в час (30 км/ч) на участке в 2 версты (2,1 км) пройдет за счет энергии маховиков внушительное расстояние – 55 верст (60 км) до остановки.
Если не доводить поезд до полной остановки и использовать, скажем, 75 % всей кинетической энергии, пробег сократится до 40 верст (43 км). Если же удвоить скорость поезда, то есть довести ее до 55 верст в час (60 км/ч), вполне нормальной и даже низкой скорости для поездов, то пробег увеличится в 4 раза и составит уже 170 км. Это весьма неплохо для поезда, движущегося за счет аккумулированной энергии!
Тщательный расчет, проведенный Шуберским, показал, что расход топлива с применением маховоза может быть снижен не менее чем на 25 % – цифра, удивительно близкая к современным данным для махо-вичных рельсовых машин, например для поезда с маховиками в нью-йоркском метро.
Свое описание маховоза Шуберский заканчивает словами, полными патриотизма: «Вполне я был бы счастлив, если бы мое изобретение обратило бы на себя внимание и могло послужить в пользу скорейшего развития отечественных железных дорог».
Потом маховиком заинтересовался американец Дж. Хауэлл. Правда, машину, на которую он его поставил, лишь условно можно назвать транспортным средством, так как это была боевая торпеда. Маховик торпеды Хауэлла, разработанный в 1883 году, раскручивался паровой машиной за одну минуту, после чего торпеда проходила около 1,5 км с достаточно высокой скоростью – 55 км/ч. Маховик имел диаметр 45 см, массу 160 кг, скорость его вращения достигала 21 тыс. оборотов в минуту. Накопленная в маховике энергия составляла 10 МДж. Вращение от маховика с помощью конических шестерен передавалось на гребной винт с регулируемым углом наклона лопастей.
В 1905 году англичанину Фредерику Ланчестеру был выдан патент на изобретение, имеющее отношение к «…применению для механического движения мотора в форме тяжелого, быстровращающегося маховика, с целью приведения в движение моторного экипажа». Колеса экипажа Ланчестера соединялись приводом с маховиком или даже с системой из двух маховиков, вращающихся в противоположные стороны. Раскручивали маховики на остановках, где для этого были смонтированы стационарные двигатели. Ланчестер предусмотрел и разгон маховиков с помощью встроенного электродвигателя, который подключался к электрической сети также на остановках.
«Транспортом пороховых складов» прозвали маховичные перевозные средства за их пожаро– и взрывобезопасность.
И наконец, применение маховиков на автомобилях началось с изготовления швейцарской фирмой «Эрликон» маховоза-гиробуса, опытный образец которого был построен в 1945 году. Уже в 1953 году фирма выпустила серию гиробусов, проработавших 20 лет в Швейцарии, Бельгии и некоторых странах Африки. Масса гиробуса была 11 т, а с пассажирами – 16 т. Его тяговые электродвигатели питались от генератора, приводимого во вращение маховиком. Маховик, выкованный из прочной стали, имел диаметр 1,5 м и массу 1,5 т. Скорость его вращения составляла в начале движения 3000 оборотов в минуту, а по прошествии 4-6 км пути снижалась вдвое. Из накапливаемых маховиком 33 МДж энергии использовалось 75 %.
Гиробус совершенно не загрязнял окружающую среду. А ведь даже электроаккумулятор выделяет в атмосферу водород и пары, которые содержат в себе такие вредные вещества, как свинец, кадмий, хлор и др. В отличие от троллейбуса, гиробусу не требовались контактные провода, уродующие вид города и создающие опасность поражения током. Он ехал совершенно бесшумно, его штанги не терлись и не искрили при движении.
И все же, несмотря на эти преимущества, гиробус проиграл соревнование с дорогим, дымящим и шумным автобусом. Это произошло, в основном, потому, что гиробус приходилось часто подзаряжать.
Он мог пройти на энергии маховика в идеальном случае 8 км, а в действительности – около 6 км, после чего останавливался. Для городского транспорта это слишком мало.
Я прикинул, что маховику гиробуса, чтобы стать «энергетической капсулой», нужно «похудеть» раз в десять и во столько же раз увеличить количество накапливаемой энергии.
Иначе говоря, требуется повысить плотность энергии маховика, ни много ни мало, в 100 раз! Это будет, конечно, меньше, чем у «метеорита на привязи», но гораздо больше, чем у самых совершенных аккумуляторов.
Итак, задача ясна. Если мне удастся «закачать» в маховик столько энергии, то проблему создания «энергетической капсулы» можно считать решенной.
Вот она, моя «капсула»!
Быстрее крутить нельзя
Одним выстрелом – двух зайцев
Великий художник Альбрехт 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.
Средневековый мускульный сити-кар
В XVII—XVIII веках были известны не менее десяти разновидностей «безлошадных» самоходных повозок, в том числе «самобеглая коляска» талантливого русского механика Л. Л. Шамшуренкова, построенная в 1752 году.В XX веке «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 – веломобилей или педикаров, которым еще предстоит это сделать. Ряды сегодняшних «изобретателей велосипедов», в хорошем понимании этого словосочетания, 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 сидело еще два пассажира. Между тем, по отзывам очевидцев, «самокатка» И. П. 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, он же слуга, вращая педали, раскручивал маховик, расположенный под сиденьем, после чего уже сам маховик посредством механической передачи приводил в движение колеса.
Маховик не единственный накопитель энергии, использованный И. П. Кулибиным в «самокатке». Он применил в качестве тормоза специальные пружины, способные накапливать энергию экипажа при торможении. Пружины помещались в тормозном барабане, служившем одновременно сцеплением и коробкой передач. Можно только удивляться гению Кулибина, почти на полтора столетия опередившего техническую мысль того времени.
В Политехническом музее в Москве демонстрируется прекрасная действующая модель «самокатки» Кулибина в масштабе 1:5. Измерив модель, я определил диаметр маховика и массу обода. В натуральную величину они составляли 1,5 м и 50 кг, соответственно. Считается, что человек, спокойно работая ногами, способен развить мощность около одной десятой лошадиной силы. Учитывая потери энергии маховика при трении 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 маховика, но и при этом маховик Кулибина мог накопить около 800 Дж/кг, а всего – около 40 кДж. Полагая, что масса экипажа была примерно 400 кг и соответственно сила сопротивления его движению по дороге около 0,1 кН (килоньютон), я определил путь, который могла пройти «самокатка» только равен 400 м. Для преодоления встретившегося подъема «самокатке» достаточно было энергии самого маховика. А ведь при этом человек тоже не переставал работать педалями. Поэтому наблюдателям и казалось, что «самокатка» в гору шла быстрее, чем по равнине.
«Самокатка» И. П. Кулибина – прекрасный пример удачного использования маховика на транспорте, даже соотношение масс маховика и экипажа словно взято из современных справочников!
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 ма-ховоза 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 просто 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 под давлением тяжести самих маховиков. 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.
Маховоз З. Шуберского
Размеры и масса маховиков весьма внушительны: каждый маховик диаметром 12 футов (3,6 м) и массой около 300 пудов (5 т). Сам маховоз имеет массу 2330 пудов (40 т). Окружная скорость обода маховика связана со скоростью поезда и превышает ее в 12 раз. Кинетическая энергия, накапливаемая маховиками, – около 2,3 млн пудо-футов (114 МДж).Набирая кинетическую энергию на спусках или на ровном пути при помощи паровоза, маховоз должен был помогать поезду преодолевать крутые подъемы. Допустим, сам паровоз может преодолеть уклон только в 5 тысячных (подъем на 5 метров за 1 километр пути), а с маховозом он взойдет по подъему, в три раза более крутому, из которых 2/3 подъема будут преодолены за счет энергии маховоза и лишь 1/3 – самого паровоза.
Шуберский предлагал использовать свое изобретение и для поездок «малыми поездами» на небольшие расстояния. Например, если прицепить к маховозу один пассажирский вагон массой 625 пудов (10 т), то этот поезд при разгоне его паровозом до скорости 28 верст в час (30 км/ч) на участке в 2 версты (2,1 км) пройдет за счет энергии маховиков внушительное расстояние – 55 верст (60 км) до остановки.
Если не доводить поезд до полной остановки и использовать, скажем, 75 % всей кинетической энергии, пробег сократится до 40 верст (43 км). Если же удвоить скорость поезда, то есть довести ее до 55 верст в час (60 км/ч), вполне нормальной и даже низкой скорости для поездов, то пробег увеличится в 4 раза и составит уже 170 км. Это весьма неплохо для поезда, движущегося за счет аккумулированной энергии!
Тщательный расчет, проведенный Шуберским, показал, что расход топлива с применением маховоза может быть снижен не менее чем на 25 % – цифра, удивительно близкая к современным данным для махо-вичных рельсовых машин, например для поезда с маховиками в нью-йоркском метро.
Свое описание маховоза Шуберский заканчивает словами, полными патриотизма: «Вполне я был бы счастлив, если бы мое изобретение обратило бы на себя внимание и могло послужить в пользу скорейшего развития отечественных железных дорог».
Потом маховиком заинтересовался американец Дж. Хауэлл. Правда, машину, на которую он его поставил, лишь условно можно назвать транспортным средством, так как это была боевая торпеда. Маховик торпеды Хауэлла, разработанный в 1883 году, раскручивался паровой машиной за одну минуту, после чего торпеда проходила около 1,5 км с достаточно высокой скоростью – 55 км/ч. Маховик имел диаметр 45 см, массу 160 кг, скорость его вращения достигала 21 тыс. оборотов в минуту. Накопленная в маховике энергия составляла 10 МДж. Вращение от маховика с помощью конических шестерен передавалось на гребной винт с регулируемым углом наклона лопастей.
Торпеда адмирала Хауэлла
Если отвлечься от военного назначения торпеды, думаю, что в «мирном» варианте это была бы неплохая прогулочная быстроходная лодка без мотора, горючего, дыма и треска. Ее с успехом можно было бы использовать в черте города, на переправах, в местах отдыха людей. А раскручивать маховик не обязательно паровой машиной – с этим еще лучше справился бы электромотор.В 1905 году англичанину Фредерику Ланчестеру был выдан патент на изобретение, имеющее отношение к «…применению для механического движения мотора в форме тяжелого, быстровращающегося маховика, с целью приведения в движение моторного экипажа». Колеса экипажа Ланчестера соединялись приводом с маховиком или даже с системой из двух маховиков, вращающихся в противоположные стороны. Раскручивали маховики на остановках, где для этого были смонтированы стационарные двигатели. Ланчестер предусмотрел и разгон маховиков с помощью встроенного электродвигателя, который подключался к электрической сети также на остановках.
Экипаж Фредерика Ланчестера
В 1918 году русский изобретатель-самоучка А. Г. Уфимцев получил патент на маховичный накопитель – инерционный аккумулятор. А в 20-х годах он предложил использовать маховик для трамвая в своем родном городе Курске. Из-за разрухи в народном хозяйстве в те годы проект этот не был осуществлен.Инерционный аккумулятор А. Г. Уфимцева с механическим приводом
Эпоха современного применения маховиков на транспорте начинается с разработки маховичных тележек для внутризаводских перевозок. В цехах ездить на грузовиках нельзя, мешают выхлопные газы, а электрокары невелики, грузоподъемность их мала. Вот умельцы на заводах и стали делать грузовые тележки с приводом от маховика. В Казани на компрессорном заводе долгое время работала такая маховичная тележка грузоподъемностью до 10 т.Маховичная грузовая тележка
Еще важнее для промышленности оказались маховичные локомотивы, работающие в шахтах и рудниках. Атмосфера некоторых подземных выработок настолько насыщена взрывоопасными газами, что там становится невозможным использование обычных электровозов. Только один вид транспорта – маховичный – дает полную гарантию от возникновения искры или пламени, способных вызвать взрыв.Шахтный маховичный локомотив-гировоз (а) и его схема (б)
И вот в СССР начался выпуск маховичных локомотивов, которые могли проходить с одной раскрутки маховика массой 1,5 т несколько километров, таща за собой состав вагонеток. Раскручивается маховик от сжатого воздуха, а с колесами локомотива его соединяет механическая передача, не образующая искры.«Транспортом пороховых складов» прозвали маховичные перевозные средства за их пожаро– и взрывобезопасность.
И наконец, применение маховиков на автомобилях началось с изготовления швейцарской фирмой «Эрликон» маховоза-гиробуса, опытный образец которого был построен в 1945 году. Уже в 1953 году фирма выпустила серию гиробусов, проработавших 20 лет в Швейцарии, Бельгии и некоторых странах Африки. Масса гиробуса была 11 т, а с пассажирами – 16 т. Его тяговые электродвигатели питались от генератора, приводимого во вращение маховиком. Маховик, выкованный из прочной стали, имел диаметр 1,5 м и массу 1,5 т. Скорость его вращения составляла в начале движения 3000 оборотов в минуту, а по прошествии 4-6 км пути снижалась вдвое. Из накапливаемых маховиком 33 МДж энергии использовалось 75 %.
Швейцарский маховичный автобус-гиробус (а) и его маховик (б)
Подзаряжался маховик на остановках через 1,2-2 км в течение 40 с. Для этого штанги гиробуса поднимались до соприкосновения с контактами на высокой мачте. Генератор начинал работать в режиме двигателя и разгонял маховик. Хотя КПД маховичного автобуса был невысок – всего 50 %, гиробус показал себя очень экономичным транспортным средством. Расход энергии составлял 1,5 кВт·ч, или 5,5 МДж на километр пробега. Для сравнения напомню, что автобус того же класса, что и гиробус, расходует на километр пути не менее 400 г бензина, что составляет в переводе на механическую работу в три раза большую величину – 17 МДж.Гиробус совершенно не загрязнял окружающую среду. А ведь даже электроаккумулятор выделяет в атмосферу водород и пары, которые содержат в себе такие вредные вещества, как свинец, кадмий, хлор и др. В отличие от троллейбуса, гиробусу не требовались контактные провода, уродующие вид города и создающие опасность поражения током. Он ехал совершенно бесшумно, его штанги не терлись и не искрили при движении.
И все же, несмотря на эти преимущества, гиробус проиграл соревнование с дорогим, дымящим и шумным автобусом. Это произошло, в основном, потому, что гиробус приходилось часто подзаряжать.
Он мог пройти на энергии маховика в идеальном случае 8 км, а в действительности – около 6 км, после чего останавливался. Для городского транспорта это слишком мало.
Я прикинул, что маховику гиробуса, чтобы стать «энергетической капсулой», нужно «похудеть» раз в десять и во столько же раз увеличить количество накапливаемой энергии.
Иначе говоря, требуется повысить плотность энергии маховика, ни много ни мало, в 100 раз! Это будет, конечно, меньше, чем у «метеорита на привязи», но гораздо больше, чем у самых совершенных аккумуляторов.
Итак, задача ясна. Если мне удастся «закачать» в маховик столько энергии, то проблему создания «энергетической капсулы» можно считать решенной.
Вот она, моя «капсула»!
«Капсула» обретает не только плоть, но и душу…
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 100 раз – дело нешуточное. Что же мешает решить эту задачу? Попробуем разобраться.
Швейцарский гиробус проходил до остановки 6 км. Четыре из них он шел с приличной скоростью, вполне вписываясь в городское движение. Но почему не больше? Почему, например, не 20 км, что позволило бы открыть в городах линии маховичных автобусов без двигателя и без горючего?
Чтобы пройти впятеро больший путь, гиробус должен запасти во столько же раз больше энергии. Для этого совершенно не обязательно крутить маховик в пять раз быстрее, достаточно увеличить частоту вращения в 2,24 раза, то есть нужно разогнать маховик гиробуса до 6-7 тыс. оборотов в минуту. Казалось бы, чего проще? А вот ученые утверждают, что это совсем не так просто.
До 4-5 тыс. оборотов в минуту маховик сохраняет свои исходные размеры – если его остановить и измерить самыми точными приборами, все будет как прежде. Но уже при частоте вращения, близкой к 5 тыс. оборотов 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 оказаться 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 наружу, а уже падая, еще раз пробил крышу.
Маховик гиробуса в момент разрыва обладает энергией, которой хватило бы для пробега машины на 12—18 км. Но не доводить же маховик каждый раз до опасного предела. Поэтому, как правило, прочность маховика используют всего на 1/3, что во столько же раз снижает его энергоемкость, а стало быть, и пробег гиробуса. Вот откуда те самые 4-6 км, 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 последствия в случае его разрыва, и тем больше запас прочности следует закладывать при его проектировании.
«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 это сделали. По сравнению с кругом древнего гончара и впрямь получилось лучше. Такой маховик накапливал энергии в каждом килограмме своей массы раза в полтора больше. Еще лучше накапливал энергию маховик в виде диска без отверстия, но к нему трудно крепить вал. 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 в два раза больше, чем обод со спицами, и в три раза больше, чем гончарный круг, при той же массе маховика.
Конструкторам маховиков никак не удавалось вырваться из этого замкнутого круга, поэтому маховики играли вторую, если не третью, роль среди накопителей энергии…
Швейцарский гиробус проходил до остановки 6 км. Четыре из них он шел с приличной скоростью, вполне вписываясь в городское движение. Но почему не больше? Почему, например, не 20 км, что позволило бы открыть в городах линии маховичных автобусов без двигателя и без горючего?
Чтобы пройти впятеро больший путь, гиробус должен запасти во столько же раз больше энергии. Для этого совершенно не обязательно крутить маховик в пять раз быстрее, достаточно увеличить частоту вращения в 2,24 раза, то есть нужно разогнать маховик гиробуса до 6-7 тыс. оборотов в минуту. Казалось бы, чего проще? А вот ученые утверждают, что это совсем не так просто.
Испытуемый маховик Стенд для испытаний маховиков на разрыв
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 4-5 тыс. оборотов в минуту маховик сохраняет свои исходные размеры – если его остановить и измерить самыми точными приборами, все будет как прежде. Но уже при частоте вращения, близкой к 5 тыс. оборотов 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 оказаться 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 наружу, а уже падая, еще раз пробил крышу.
Маховик гиробуса в момент разрыва обладает энергией, которой хватило бы для пробега машины на 12—18 км. Но не доводить же маховик каждый раз до опасного предела. Поэтому, как правило, прочность маховика используют всего на 1/3, что во столько же раз снижает его энергоемкость, а стало быть, и пробег гиробуса. Вот откуда те самые 4-6 км, 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 последствия в случае его разрыва, и тем больше запас прочности следует закладывать при его проектировании.
«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 это сделали. По сравнению с кругом древнего гончара и впрямь получилось лучше. Такой маховик накапливал энергии в каждом килограмме своей массы раза в полтора больше. Еще лучше накапливал энергию маховик в виде диска без отверстия, но к нему трудно крепить вал. 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 в два раза больше, чем обод со спицами, и в три раза больше, чем гончарный круг, при той же массе маховика.
Маховики различных форм
Так я пришел к важному для себя заключению: энергия каждого килограмма массы маховика зависит от его формы и прочности! Уже позже, по окончании института, я доказал математически существование этой зависимости, но еще раньше, в школьные годы, подсчитал, что если при изменении формы маховика – от самой худшей к самой лучшей – энергия возрастет незначительно, максимум в три раза, то при многократном повышении прочности во столько же раз увеличится и 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 маховики играли 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, тоже ни к чему не привели. Я вспомнил, что так же надрезают корпуса гранат-лимонок, но безопаснее от этого они не становятся. Напротив, осколков прибавилось, и убойная сила гранаты увеличилась.
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 лишь постепенно, проволочка за проволочкой. Разумеется, о высокой прочности стальных проволок и свитых из них тросов я знал и раньше, но до сих пор это как-то не увязывалось в сознании с массивным маховиком. И вот однажды, 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 оправу посадил на вал. Получился хоть и необычный, но маховик. Такие маховики я назвал супермаховиками. В чем преимущества супермаховика? Если вращать вал, 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, разрыв супермаховика из троса не причинит большого вреда!
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 можно понизить примерно вдвое по сравнению с маховиком. То есть получается, что супермаховик из троса может накопить в каждом килограмме массы в 10 раз больше энергии, чем обычный стальной маховик. И при этом его разрыв не представляет опасности для людей! Эти качества, присущие именно супермаховику, – высокая плотность энергии и безопасный разрыв – приблизили его к «энергетической капсуле».
Несмотря на то что я был необычайно рад своей находке, идея вращать трос 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.
Поэтому после недолгих раздумий я решил навивать проволоку, из которой изготовляется трос, на барабан, как на катушку. Но вскоре мне пришла мысль, что вместо проволочек можно взять такую же по прочности тонкую стальную ленту, чтобы намотка была плотнее, а для надежности склеить витки ленты между собой. Получится супермаховик, напоминающий по виду обычный маховик, только накапливающий гораздо больше энергии. Я назвал его ободковым, так как вся лента здесь должна была навиваться на обод барабана.
Разрыв ободкового супермаховика представлялся уже совершенно безопасным. При превышении скорости вращения первой разорвется наиболее нагруженная внешняя лента, которая тотчас же прижмется к корпусу и автоматически затормозит супермаховик. Оторванную ленту можно будет приклеить снова – и супермаховик опять готов к работе. От первоначальной идеи вращающегося троса я без колебаний отказался.
Но идея идеей, а пробовать надо – вдруг что-нибудь не так? Начались мои хождения по свалкам вторсырья, химическим и хозяйственным магазинам, по знакомым, работающим на производстве. Наконец я стал обладателем ящика с проржавевшей стальной лентой, банки резинового клея и бутылки бензина. На заводе друзья выточили мне несколько дисков из текстолита, на которые я собирался навивать ленту. И вот в один воскресный день я упросил товарища помочь мне изготовить супермаховики.
Мы очищали поверхность ленты бензином, мазали клеем и навивали на диски. Лента часто соскакивала, резала нам руки, падала на пол, так что приходилось всякий раз вновь стирать с нее пыль, но работу мы все равно закончили. Перед нами лежали три супермаховика диаметром по 30 см. Внешние слои ленты мы закрепили тонкой стальной проволокой и нагрели супермаховики в духовке, чтобы клей окончательно высох.
Я рассчитывал испытать супермаховики на разрыв с помощью двигателя от пылесоса. Пылесосный двигатель очень скоростной, вал его делает 15—18 тыс. оборотов в минуту.
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 лишь постепенно, проволочка за проволочкой. Разумеется, о высокой прочности стальных проволок и свитых из них тросов я знал и раньше, но до сих пор это как-то не увязывалось в сознании с массивным маховиком. И вот однажды, 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 оправу посадил на вал. Получился хоть и необычный, но маховик. Такие маховики я назвал супермаховиками. В чем преимущества супермаховика? Если вращать вал, 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, разрыв супермаховика из троса не причинит большого вреда!
Супермаховик из троса
Однако это еще не все. Дело в том, что огромная прочность проволочек дает возможность такому супермаховику накопить значительное количество энергии. Если прочность стальной струны выше прочности монолитного стального куска раз в пять, то при прочих равных условиях во столько же раз больше накопит энергии супермаховик из струны по сравнению с обычным маховиком той же массы. 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 можно понизить примерно вдвое по сравнению с маховиком. То есть получается, что супермаховик из троса может накопить в каждом килограмме массы в 10 раз больше энергии, чем обычный стальной маховик. И при этом его разрыв не представляет опасности для людей! Эти качества, присущие именно супермаховику, – высокая плотность энергии и безопасный разрыв – приблизили его к «энергетической капсуле».
Несмотря на то что я был необычайно рад своей находке, идея вращать трос 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.
Поэтому после недолгих раздумий я решил навивать проволоку, из которой изготовляется трос, на барабан, как на катушку. Но вскоре мне пришла мысль, что вместо проволочек можно взять такую же по прочности тонкую стальную ленту, чтобы намотка была плотнее, а для надежности склеить витки ленты между собой. Получится супермаховик, напоминающий по виду обычный маховик, только накапливающий гораздо больше энергии. Я назвал его ободковым, так как вся лента здесь должна была навиваться на обод барабана.
Разрыв ободкового супермаховика представлялся уже совершенно безопасным. При превышении скорости вращения первой разорвется наиболее нагруженная внешняя лента, которая тотчас же прижмется к корпусу и автоматически затормозит супермаховик. Оторванную ленту можно будет приклеить снова – и супермаховик опять готов к работе. От первоначальной идеи вращающегося троса я без колебаний отказался.
Ленточный супермаховик (а) и картина его разрыва в корпусе (б)
Наверное, я бы так сразу не отбросил идею тросового супермаховика, если бы знал тогда, что американские специалисты будут свыше 10 лет разрабатывать такие маховики. Правда, спустя некоторое время они убедились в неудобстве подобных конструкций и тоже перешли к ободковым супермаховикам.Но идея идеей, а пробовать надо – вдруг что-нибудь не так? Начались мои хождения по свалкам вторсырья, химическим и хозяйственным магазинам, по знакомым, работающим на производстве. Наконец я стал обладателем ящика с проржавевшей стальной лентой, банки резинового клея и бутылки бензина. На заводе друзья выточили мне несколько дисков из текстолита, на которые я собирался навивать ленту. И вот в один воскресный день я упросил товарища помочь мне изготовить супермаховики.
Мы очищали поверхность ленты бензином, мазали клеем и навивали на диски. Лента часто соскакивала, резала нам руки, падала на пол, так что приходилось всякий раз вновь стирать с нее пыль, но работу мы все равно закончили. Перед нами лежали три супермаховика диаметром по 30 см. Внешние слои ленты мы закрепили тонкой стальной проволокой и нагрели супермаховики в духовке, чтобы клей окончательно высох.
Я рассчитывал испытать супермаховики на разрыв с помощью двигателя от пылесоса. Пылесосный двигатель очень скоростной, вал его делает 15—18 тыс. оборотов в минуту.