На глаза мне попались пружинные весы, или безмен. «Что, если попробовать сделать тележку, движущуюся под действием энергии, накопленной в безмене?» – подумал я. И, увлеченный этой идеей, тут же принялся за постройку «безменовоза». На простой платформочке с двумя осями и колесами я укрепил безмен, к крючку которого привязал прочную нить. Другой конец нити привязал к одной из осей и, вращая колеса, стал наматывать нить на ось. Чем больший вес показывала стрелка безмена, тем труднее становилось крутить колеса. Это накопленная в пружине механическая энергия стремилась провернуть их в обратную сторону. Растянув пружину на полную длину (у обычных хозяйственных безменов это соответствует 10 кг, или, правильнее, 100 Н), я опустил «безменовоз» на пол. Но перед тем как отпустить колеса, поставил на тележку гирю, чтобы экипаж был потяжелей.
Как только колеса были отпущены, началось выделение энергии пружиной безмена. Сжимаясь до прежнего положения, пружина тянула нить, которая сматывалась с оси и вращала колеса «безме-новоза». Разогнавшись, он проехал немалое расстояние, прежде чем остановиться.
Однако недолго я забавлялся своим «безменовозом». Спустя некоторое время руки у меня так устали растягивать пружину безмена, что пришлось отложить тележку в сторону. Да и пора было всерьез поразмыслить над пружинами – на что они способны.
Пружины изготавливают из стальной упругой проволоки. Растягивая пружину, мы как бы раскручиваем проволоку. Если мы чрезмерно растянем пружину, она больше не вернется к прежним размерам – вытянется, испортится. А нельзя ли накапливать энергию, растягивая не пружину, а саму проволочку?
Очень даже можно, и мы это часто делаем, когда играем на струнных музыкальных инструментах.
Взять хотя бы упругую струну на гитаре. Пока струна не напряжена, провисает, сила натяжения равна нулю. Чем больше мы натягиваем струну специальными натяжными устройствами – колками, тем больше сила, с которой струна сопротивляется растяжению: во сколько раз удлиняется струна, во столько же раз и растет сила. Наконец струна не выдерживает натяжения и со звоном лопается.
Звон – это и есть выделение накопленной в струне механической потенциальной энергии. Играя на гитаре, мы, оказывается, только тем и занимаемся, что, натягивая пальцами струны, накапливаем в них потенциальную энергию, а отпуская – даем струнам возможность выделить ее, причем буквально на воздух. Но энергия, накопленная в струнах, не пропадает даром. Переданная воздуху в виде звуковых колебаний, она услаждает наш слух музыкой.
Современная высококачественная проволока, из которой делается музыкальная струна, очень прочная. Проволока сечением 1 мм2 может выдержать до 400 кг груза. При этом метровая проволока упруго вытянется ни много ни мало на 2 см. Запас потенциальной энергии в такой проволоке будет равен произведению средней силы на удлинение, то есть почти 35 Дж. Объем этой проволоки легко вычислить: он равен всего 1 см3 при массе около 8 г.
Если мы поделим энергию на массу, то получим весьма важный показатель для оценки аккумуляторов – удельную энергоемкость, или плотность энергии. Этот показатель характеризует, сколько энергии может накопить каждый килограмм массы аккумулятора. Я постарался как следует запомнить его, так как понимал, что он очень пригодится мне в дальнейшем. А пока выяснил, что для музыкальной струны он составляет около 4000 Дж/кг, или 4 кДж/кг.
Крупный концертный рояль, например, накапливает в своих струнах столько энергии, что ее хватило бы на то, чтобы рояль переместился на несколько десятков метров! Правда, для облегчения «хода», его пришлось бы поставить на велосипедные колеса. А чемпионом в такой поездке на энергии натянутых струн была бы, пожалуй, арфа. Струн у нее почти столько, сколько у рояля, но во сколько раз меньше масса!
Конечно, музыкальная струна – это уникальный дорогой материал. Для обычных стальных пружинных материалов плотность энергии снизится более чем вдвое. Учитывая неравномерность напряжения пружинного материала, а также делая поправку на необходимый запас прочности, я подсчитал, что каждый килограмм пружины способен накопить не более 0,5 кДж энергии. Значит, автомобилю массой в 1 т для прохождения 100 км пути потребуется пружинный аккумулятор массой 50 т!
А как же все-таки передвигались старинные королевские пружинные экипажи, один из которых можно видеть на гравюре великого немецкого художника Альбрехта Дюрера? Позже в одной из книг я прочитал, что их постоянно «подзаводили» сильные работники, хорошо замаскированные среди золоченого великолепия экипажей. Иначе бы не пройти им и десятка метров. Вот и весь секрет!
Хочу оговориться, что существуют материалы, в основном из сплавов никеля и титана, которые способны удлиняться под нагрузкой раз в 10 больше, чем стальная проволока. Эти так называемые «псевдоупругие» материалы могли бы накопить энергии в несколько раз больше, чем стальные пружины, если бы не одно «но». Свойство приобретать такие удлинения приходит к данным материалам при температурах, больших, чем в самых жарких саунах и даже римских «термах». Может быть, и «научат» такие материалы работать при комнатных температурах, но когда это будет – неизвестно.
Итак, пружины тоже пришлось пока вычеркнуть. Претендентов на «капсулу» оставалось все меньше и меньше.
Резина побеждает сталь
Жаль было расставаться с пружинами, но моих надежд они явно не оправдали. Я должен был это предвидеть: из пружины даже рогатки толковой не изготовишь. Когда-то я пытался заменить резиновые жгуты в рогатке на тонкие пружины, намереваясь смастерить «суперрогатку», но получился конфуз. Под смех товарищей «суперрогатка» выплюнула мне камень под ноги. Выходит, не так уж плоха резина и для рогаток, и для резиномоторов. И ведь используется здесь именно свойство резины накапливать энергию.
На первый взгляд кажется: ну что за материал резина по сравнению с прочнейшей проволокой? Но это только на первый взгляд. Проверим все в цифрах. Чтобы вытянуть резиновый жгут сечением в 1 см2 вдвое, нужно приложить силу около 200 Н. Я вычислил это, подвешивая к жгуту различные грузы. А до разрыва хорошая резина из натурального каучука растянется раза в четыре, не меньше.
Экспериментируя с резиновыми жгутами, я заметил, что при растяжении жгута требуется больше силы, чем при его сокращении до той же длины. Я построил графики растяжения и сокращения этих жгутов и заметил, что далеко не вся энергия, затраченная на растяжение, возвращается при сокращении, особенно если растягивать жгут сильно.
Пропадает, а правильнее, переходит в тепло до 30 % накопленной энергии; стало быть, КПД резиноаккумулятора невелик!
Метровый резиновый жгут сечением в 1 см2 имеет массу чуть больше 100 г, а накапливает при полном растяжении около 3 кДж энергии. Выходит, у резины как аккумулятора плотность энергии почти в 100 раз больше, чем у пружин, и достигает 30 кДж/кг! Вот, оказывается, почему модели с резиномоторами летают, в то время как ни одна модель с пружинным мотором еще не взлетела. Этим объясняется и мой
