Удивительная физика Гулиа Нурбей

Самолет или ракета?

Чего только не вытворяют движущиеся потоки – даже сталкивают корабли. А нельзя ли использовать их силу для подъема тел вверх? Автомобилисты знают, что на большой скорости передок автомобиля может оторваться от дороги, как бы взлететь. Даже ставят антикрылья, чтобы этого не происходило. Откуда же появляется подъемная сила?

Здесь нам не обойтись без такого понятия, как крыло. Самое простое крыло – это, пожалуй, воздушный змей (рис. 216). Как же он летает? Вспомним, что мы тянем змея за веревку, создавая набегающий на его плоскость, или крыло, ветер. Обозначим плоскость крыла АВ, натяжение веревки Q, собственный вес змея Р, результирующую этих сил R, 1

Набегающий на плоскость змея АВ ветер, отражаясь от нее, создает подъемную силу R, которая, чтобы змей не упал, должна быть равной R, а лучше больше, чтобы змей поднимался наверх. Вы чувствуете, что не так все просто, если речь идет о полете? Еще сложнее, чем со змеем, обстоит дело с подъемной силой крыла самолета.

Сечение крыла самолета представлено на рис. 217, а. Практика показала, что для осуществления подъема крыло самолета должно быть расположено так, чтобы имелся некоторый угол а – угол атаки, между его нижней линией и направлением полета. Этот угол изменяется действием руля высоты.

При горизонтальном полете угол а не превышает 1-1,5°, при посадке – около 15°. Оказывается, что при наличии такого угла атаки, скорость потока воздуха, обтекающего крыло сверху, будет больше, чем скорость ^/^ потока, обтекающего нижнюю поверхность крыла. На рис. 217, а эта разность скоростей отмечена разной густотой линии тока.

Но, как мы уже знаем, в том месте потока, где скорость больше, давление меньше, и наоборот. Поэтому при движении самолета в воздухе над верхней поверхностью крыла будет пониженное давление, а над нижней – повышенное. Эта разность давлений обуславливает действие на крыло силы R, направленной вверх.

Вертикальная составляющая этой силы – сила F представляет собой подъемную силу, направленную против веса тела Р. Если эта сила больше веса самолета, последний будет подниматься вверх. Вторая составляющая Q представляет собой лобовое сопротивление, оно преодолевается тягой винта.

На рис. 217, б показаны силы, действующие на самолет при горизонтальном равномерном полете: F, – подъемная сила, Р – вес самолета, F., – лобовое сопротивление и F – сила тяги винта.

Большой вклад в разработку теории крыла, да и вообще аэродинамической теории, внес русский ученый, профессор Н. Е. Жуковский (1847—1921). Еще до полетов человека Жуковский сказал интересные слова: «Человек не имеет крыльев, и по отношению веса своего тела к весу мускулов в 72 раза (!) слабее птицы. Но я думаю, что он полетит, опираясь не на силу своих мускулов, а на силу своего разума».

Авиация давно перешагнула звуковой барьер, который измеряется так называемым числом Маха – М. При дозвуковой скорости М < 1, при звуковой М = 1, при сверхзвуковой М > 1. И форма крыла при этом изменилась – оно стало тоньше и острее. Форма крыльев в плане тоже изменилась. Дозвуковые крылья имеют прямоугольную, трапециевидную или эллиптическую форму. Околозвуковые и сверхзвуковые крылья делаются стреловидными, дельтовидными (как греческая буква «дельта») или треугольными (рис. 218). Дело в том, что при движении самолета с около– и сверхзвуковой скоростью возникают так называемые ударные волны, связанные с упругостью воздуха и скоростью распространения в нем звука. Чтобы уменьшить это вредное явление и применяются крылья более острой формы. Картина обтекания воздухом дозвукового и сверхзвукового крыльев представляет на рис. 219, где видна разница в их взаимодействии с воздухом.

А сверхзвуковые самолеты, снабженные такими крыльями, показаны на рис. 220.

Самолеты со скоростью М > 6 называются гиперзвуковыми. Их крылья строятся так, чтобы ударные волны от обтекания фюзеляжа и крыла как бы гасили друг друга. Оттого и форма крыльев у таких самолетов замысловатая, так называемая W-образная, или М-образная (рис. 221).

Кратко об истории полетов человека и эволюции самолетов (рис. 222).

В 1882 г. русский офицер А. Ф. Можайский построил самолет с паровым двигателем, который из-за большой тяжести взлететь так и не смог. Несколькими годами позже немецкий инженер Лилиенталь проделал ряд скользящих полетов на построенном им балансирном планере, который управлялся перемещением центра тяжести тела пилота. Во время одного из таких полетов планер потерял устойчивость, и Лилиенталь погиб. В 1901 г. американские механики братья Райт построили планер из бамбука и полотна и проделали на нем несколько удачных полетов. Планер запускался с пологого склона холма при помощи примитивной катапульты, состоящей из небольшой бревенчатой вышки и веревки с грузом. Летом братья учились летать, а остальное время работали в своей велосипедной мастерской, копя деньги для продолжения опытов. Зимой 1902—1903 г. они изготовили бензиновый двигатель внутреннего сгорания, установили его на своем планере и 17 декабря 1903 г. совершили первые полеты, самый долгий из которых хотя и продолжался только 59 секунд, все же показал, что самолет способен взлетать и держаться в воздухе.

Усовершенствовав самолет и достигнув некоторого летного мастерства, братья Райт в 1906 г. обнародовали свое изобретение. С этого момента началось бурное развитие авиации во многих странах мира. Через 3 года французский инженер Блерио перелетел на самолете своей конструкции через Ла-Манш, доказав способность этой машины летать над морем. Менее чем через 20 лет на одноместном самолете был совершен перелет из Америки в Европу через Атлантический океан, а еще через 10 лет, летом 1937 г., трое советских летчиков – В. П. Чкалов, Г. Ф. Байдуков и А. В. Беляков – на самолете А. Н. Туполева АНТ-25 перелетели из Москвы в Америку через Северный полюс. Через несколько дней М. М. Громов, А. Б. Юмашев и С. А. Данилин, пролетев тем же маршрутом, установили мировой рекорд дальности полета по прямой, покрыв без посадки 10 300 км.

Наряду с дальностью росли грузоподъемность, высотность и скорость самолетов. Первый сверхтяжелый самолет «Илья Муромец» был построен в России. Этот четырехмоторный гигант настолько превосходил все тогдашние машины, что за рубежом долго не могли поверить в существование такого самолета. В 1913 г. «Илья Муромец» побил мировые рекорды дальности, высотности и грузоподъемности.

Если скорость самолета братьев Райт была около 50 км/ч, то современные самолеты летают в несколько раз быстрее звука. А еще быстрее летают ракеты. Например, ракета-носитель, которая вывела на орбиту первый искусственный спутник Земли, имела М 28.

Как же летает ракета? Схематически очень просто: газы, полученные тем или иным образом в ракете, вырываются из ее сопла, благодаря чему корпус ракеты движется в другую сторону (рис. 223). В настоящее время ракеты работают преимущественно на жидких топливах – керосине, гидразине, жидком водороде и др., а в качестве окислителя (воздуха-то в космическом пространстве нет, а топливу нужен кислород для горения!) – жидкий кислород, перекись водорода и ряд других веществ. От сгорания топлива в окислителе образуются газы, которые, вырываясь из камеры сгорания через сопло, движут ракету. Хотя мы и говорим «движут ракету», словам этим верить трудно. Как это можно внутренними силами двигаться? Да это противоречит всем сразу законам механики! Поэтому рассмотрим эту задачу корректнее.

Если самолет движется, опираясь на внешнюю среду – воздух, отталкиваясь от него, то ракета может лететь и в космическом пространстве, где и среды-то нет. Так летит ли она вообще?

Если честно – то нет. Никуда она не летит, центр ее массы где был до начала горения топлива, там и остался, и останется навечно, если даже люди в этой ракете улетят за пределы Солнечной системы. (Все это верно в том случае, если старт ракеты происходит уже в безвоздушном пространстве.)

Дело здесь в том, что одна часть ракеты – головная с грузом, людьми, приборами и т. д., летит в одну сторону, а другая часть – окисленное, или сгоревшее, топливо – в другую. Ведь никто же не будет отрицать, что топливо и особенно окислитель, составляющие большую часть массы, – такая же неотъемлемая часть ракеты, как грузы, приборы и люди. Все они образуют одно тело – ракету. Другое дело, что в полете эта ракета разделяется на корпус или головную часть его, которая летит вперед, и газы, которые летят назад. При этом центр массы всей ракеты совершенно неподвижен.

Так-то с полетами ракет! Не ракет, выходит, а их частей, головных преимущественно, составляющих очень незначительную массу всего устройства, А подавляющая часть массы ракеты тоже летит, но в противоположную сторону. Вот после этого и решайте – вперед полетит ракета или назад? Или останется на месте?

Махать или крутить?

Когда говорят о полетах человека, начинают обычно вспоминать Икара и его отца Дедала, летавших с помощью крыльев, как птицы.

Дело было так. Легендарный строитель, художник и вообще талантливый универсал Дедал вместе со своим сыном Икаром были заточены в знаменитый критский лабиринт царем Миносом. Тем самым Миносом, для которого Дедал построил на свою беду этот лабиринт для помещения туда чудовища – Минотавра, каким-то невероятным образом приходившимся сыном самому Миносу. Короче говоря, Дедал провинился перед Миносом в результате чего и оказался в лабиринте вместе с сыном Икаром.

А так как Дедал был на все руки мастер, то он изготовил из птичьих перьев и воска крылья себе и Икару. Надели они эти крылья и полетели прочь с острова Крит через море. Дедал был уравновешенным человеком и благополучно прилетел куда надо. А Икар, романтическая натура, поднялся, видите ли, слишком высоко. Там, как мы знаем, должен был быть горный холод, но оказалась жара (по легенде – от близости к Солнцу, что, конечно же, невероятно), воск растопился, крылья рассыпались, и Икар, упав в море, погиб.

Не говоря уже о слишком большой технической натянутости легенды (крылья из перьев и воска, полет собственными силами и т. д.), обидно, что все вспоминают недисциплинированного и неудачливого Икара и забывают ро технически грамотного и уравновешенного Дедала.

Но мог ли человек вообще силой своих мышц в машущем полете подняться в воздух? На рис. 224 изображен Икар (или Дедал?) XVIII в., летящий на мускулолете конструкции француза Ле Беньера. Разумеется, конструкция не выдерживает никакой критики, как и изображенная на рис. 225.

Чтобы успешно махать крыльями и лететь, птицы имеют, как об этом было сказано, в 72 раза более сильные мышцы, чем у человека (по отношению к массе птицы и человека). Грудные мышцы голубя составляют до 40 % массы всей птицы, а у человека – 1 %. Бесполезная затея – летать человеку на крыльях.

Хотя на педальных велосамолетах, изготовленных из

легчайших и сверхпрочных материалов, спортсмены научились летать. В частности, грек К. Канеллопулос повторил полет Дедала протяженностью в 119 км – от Крита до острова Санторин. Размах крыльев велосамолета был 34 м, а масса всего 32 кг.

Как мы видим, человеку своими силами крыльями так и не замахать, а может ли это делать машина? Принципиально ничего не мешает существовать летательной машине с машущими крыльями. Даже зонтик, если его достаточно быстро каким-нибудь легким приводом двигать вверх-вниз, поднимется в воздух из-за разности аэродинамических сопротивлений.

Автору довелось увидеть совершенную модель летательной машины машущего полета. Тяга, которую она развивала вверх, была относительно даже выше, чем у вертолета. Это обеспечивалось достаточно сложной кинематикой движения крыльев – их было аж восемь. А простейшие модели махолетов в виде птиц продаются в магазинах. Одну из них с резиномотором вы видите на рис. 226.

Однако все-таки машущий полет связан со сложнейшей нервной деятельностью летящего существа. Обтекаемость крыльев, их углы атаки, силу взмаха и многое другое, необходимое для полета, птица изменяет, «не задумываясь», рефлекторно. Машина должна обладать гигантским электронным мозгом и сложнейшей сервосистемой, чтобы успешно маневрировать в машущем полете. И еще одно: фюзеляж такой машины будет постоянно колебаться – вверх-вниз, вверх-вниз, и пассажиры заболеют морской болезнью.

Перейдем к вертолетам, или к подъему в воздух с помощью воздушного винта. Когда же его изобрели и кто был тот вертолетный Дедал?

Писатель С. П. Бойко [3] приводит картину (рис. 227), где ребенок изображен с игрушкой в руках. Игрушка поразительно напоминает винт вертолета, такими летающими вертушками играют дети и сейчас. Установлено, что эта летающая игрушка известна с 1320 г., а сама картина написана в 1460 г.

Первым делает эскиз большого вертолета знаменитый Леонардо да Винчи (рис. 228, а). Он пишет об этой конструкции: «Остов винта должно сделать из железной проволоки, толщиной в веревку; расстояние же от окружности до центра – 25 локтей (около 12 м). Если все будет сделано как следует, то есть из прочной парусины, поры в которой тщательно замазаны крахмалом, то я думаю, что при вращении с известной скоростью такой винт как бы опишет в воздухе спираль и поднимется вверх».

Говорят, уже в наши дни на авиазаводе в Сан-Диего (США) был построен летательный аппарат по эскизам Леонардо (рис. 228, б), причем машина поднялась в воздух, даже с грузом! Так и хочется воскликнуть любимые слова Станиславского: «Не верю!» Или модель была построена не по эскизам Леонардо, или она не сдвинулась бы с места. Дело в том, что в проекте Леонардо винт должен был вращаться бегающими по платформе вокруг вертикальной оси людьми. И крутиться бы стала в первую очередь сама платформа, а не винт, который достаточно велик, и чтобы крутить его, требуется большой крутящий момент.

Не знал Леонардо законов Ньютона, не предполагал, что действие равно противодействию и на платформе появится реактивный момент, который и закрутит ее. В современных одновинтовых вертолетах, чтобы фюзеляж не вертелся в обратную винту сторону, на самом хвосте ставят поперечный винт, который этот момент и компенсирует (рис. 229). Или делают вертолет с двумя винтами, вращающимися в противоположные стороны (рис. 230 а, б). Так что если в модели из Сан-Диего не предусмотрели какого-нибудь хитрого устройства для компенсации реактивного момента, чего не было у Леонардо, то не взлетела бы эта модель.

Позвольте, а почему летают, начиная с 1320 г. и по сей день, детские вертушки и даже игрушечные вертолеты с одним винтом и без какой-либо компенсации?

Здесь дело в том, что сам винт играет роль маховика или с винтом соединен маховик, как, например, в вертолете (правильнее – автожире), изображенном на рис. 231. Маховик обладает удивительной способностью безреактивности, т. е. не оказывает реактивного воздействия на поддерживающие части, да они ему и не нужны. Прикрепите к вершине волчка сверло – и при вращении волчка сверло будет сверлить, допустим, стол, не вызывая необходимости противодействия реактивным моментам, как это бывает у дрели. Поэтому только с приводом непосредственно от маховика, или если этот маховик в виде обруча находится вокруг винта (рис. 232) вертолет способен взлететь без компенсации реактивного момента. Так устроен, например, беспилотный разведывательный маховичный вертолет, запускаемый с телекамерой. Маховики с винтами раскручиваются на базовом грузовике, а затем винтам задается угол атаки, и машина взлетает. Через несколько минут она, засняв всю округу, садится на тот же грузовик. Почти так же работал и вертолет с маховиком, названный «прыгающий Гиро», построенный в Шотландии в 30-х годах прошлого века.

Аналогичными свойствами безреактивности обладают вертолетные винты с реактивными двигателями, расположенными на их концах (рис. 233). Вот такая реактивная безреактивность получается, простите за каламбур. Такой винт не надо крутить, опираясь на фюзеляж, он крутится сам, влекомый реактивными двигателями на концах. И точно так же, как и винт с маховиком, он может свободно на подшипниках фиксироваться на фюзеляже.

А подшипники никакого крутящего момента передать не могут, в том числе и реактивного.

И еще про вертолет, чего многие не знают. Это касается вопроса, почему эти машины не летают столь же быстро, как самолеты. Оказывается, мешает этому именно несущий винт. Когда вертолет летит, а винт вращается, то на одну боковую часть винта приходится набегающий поток, равный по скорости сумме скорости лопасти винта и скорости вертолета, на другую часть – разность этих величин. Поэтому по теории крыла первая часть винта будет обладать подъемной силой больше второй, и вертолет будет крениться. Что же делать, чтобы лететь ровно?

Для этого, а также и для других важных целей винт вертолета содержит сложный и ответственный механизм, называемый «автомат-перекос». Он в течение одного оборота лопасти винта дважды изменяет угол ее атаки – уменьшает его там, где поток воздуха набегает, и увеличивает на другой стороне. И в результате подъемные силы всех частей винта уравновешиваются. Трудно представить себе всю напряженность работы такого механизма, ведь на винте «висит» вся машина, и винт этот делает сотни оборотов в минуту. Но даже автомат-перекос не может помочь, когда скорость машины равна скорости винта. Тогда вторая часть винта вообще неподвижна относительно воздуха и ее подъемная сила при любом угле атаки равна нулю. Кроме того, скорость первой части винта относительно воздуха становится чрезмерно большой. Поэтому вертолеты и не летают так быстро, как самолеты.

А автомат-перекос, придуманный нашим соотечественником Б. Н. Юрьевым (1889—1957) в 1911 г. и работающий на современных вертолетах, позволяет, кроме уже сказанного, развивать тягу и лететь в любом направлении – вперед, назад и вбок!

Первый современный вертолет построил в США русский инженер Игорь Сикорский (1889—1972) в 1939 г. Назывался он «Сикорский YS-300» и был похож на современные одновинтовые вертолеты с хвостовым поперечным винтом. Вертолет Сикорского мог совершать вертикальный взлет и посадку, летать в любом направлении и зависать в воздухе.

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.

«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 большие.

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.

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.

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 дороги, 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.

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.

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.

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.

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»).

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.

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.

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.

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.

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).

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.

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.

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).

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.

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.