В поисках «энергетической капсулы»

Шаровая молния? Ею я занимался только что.

Может, метеориты? Они все таки имеют гигантскую скорость, способны насквозь пробить космический корабль, если столкнутся с ним. Пусть даже их скорость будет весьма небольшой по космическим масштабам, километров десять в секунду, тогда кинетическая энергия каждого килограмма массы метеорита составит половину квадрата скорости, или... 50 мегаджоулей. Это ведь столько, сколько накапливает шаровая молния! А есть метеориты гораздо быстрее.

Разгонишь метеорит до вдвое большей скорости – накопишь вчетверо большую энергию.

Я не поверил себе. Решение лежало на самой поверхности. Возможно ли, что никто раньше не додумывался накапливать энергию в бешено мчащемся метеорите?

Ну хорошо, а как эту энергию отобрать у метеорита? Гнаться за ним на космическом корабле? Неудобно, сам при этом превратишься в аккумулятор такой же по величине энергии. Стало быть, надо привязать метеорит тросом к некой оси, и пусть он ходит вокруг нее по кругу. Вращая эту ось, можно будет разгонять метеорит – накапливать в нем энергию и, напротив, замедлять его бег при отборе энергии. Пожалуй, лучше даже взять несколько таких метеоритов на привязи, состыковать их один к одному, чтобы получилось кольцо. И пространство удастся сэкономить, и...

К моему удивлению, вышло нечто очень знакомое. Так это же маховик, обычный маховик в виде тяжелого колеса со спицами! Маховики давным-давно применяют для выравнивания хода машин, они присутствуют в любом автомобильном двигателе, в магнитофонах, в швейных машинах, механических ножницах, прессах... В общем, труднее, наверное, назвать машину, где бы совсем не было маховика или какого-нибудь тяжелого колеса, играющего его роль.

Почему же тогда маховики не используют для накопления больших количеств энергии? Ведь если даже плотность энергии маховика окажется в сотни раз меньше, чем я подсчитал для метеорита, все равно он будет на уровне лучших аккумуляторов, созданных когда-либо человеком!

Любое серьезное дело, как я уже понял, требует основательной подготовки. Мне теперь предстояло подробнее познакомиться с маховиками, и начать я решил прямо с момента их появления.

Открытие древнего гончара

Один из величественнейших городов Междуречья – древний Ур. Он громаден и многолик. Это почти целое государство. Сады, дворцы, мастерские, сложные гидротехнические сооружения, культовые постройки.

В небольшом гончарной мастерской, с виду довольно старой, служившей, вероятно, не одному поколению, перед гончарным станком сидит смуглый мужчина с остроконечной бородкой. Грубая крепкая деревянная тренога поддерживает массивный диск из обожженной глины диаметром около метра. На глаз в нем никак не меньше центнера. Гончар кладет на этот диск кусок размятой глины и принимается колдовать над ней. Диск, несмотря на явную тяжеловесность, легко вращается – по-видимому, он достаточно искусно посажен на ось, подвижно закрепленную в треноге. Но вот его вращение замедлилось. Мастер завел правую руку под диск и, нащупав там рукоятку, с силой потянул ее на себя, откинувшись в мощном движении...

Эта сценка из далекого прошлого ожила перед нами благодаря знаменитому английскому археологу Леонарду Вулли, который в 1929 году нашел в развалинах Урского могильника не совсем обычный гончарный круг. Гончарное ремесло в те времена получило уже довольно широкое распространение, и найденный диск не должен был особенно заинтересовать археологов. Но Леонард Вулли оказался достаточно проницательным, чтобы не пройти мимо некоторых странностей в устройстве диска. А привлекли внимание ученого два момента.

Во-первых, зачем понадобилось делать гончарный круг столь большим и тяжелым? В Египте, например, находили гончарные круги лет на тысячу старше. Изготовленные из дерева, они были гораздо меньше по размерам, легче и прекрасно служили в качестве простой вращающейся подставки. Такими же кругами пользовались и в Междуречье. И все-таки гончар из Ура сделал свой круг тяжелым и громоздким, как будто назло самому себе.

Во-вторых, для чего было проделано маленькое отверстие в торце диска? Если большое отверстие в центре предназначалось для закрепления в нем оси, то маленькое отверстие сбоку поначалу казалось археологам совсем ненужным.

И тут Вулли высказал блестящую мысль: в маленькое отверстие втыкалась деревянная рукоятка, с помощью которой древний мастер приводил диск во вращение. А массивность и большие размеры диска ему нужны были для того, чтобы подольше сохранить это вращение и работать на своего рода «механизированном» станке.

Гончар из города Ура сделал гениальное открытие – он изобрел маховик! Как и миллионы нынешних маховиков, их предок – гончарный круг, вращаясь, переносил энергию во времени. Именно он, по признанию ученых, положил начало эре механизированного труда.

В поисках серьезной работы

Спустя 1200 лет после изобретения маховика в Междуречье, в древнем Китае был изготовлен другой гончарный круг маховичного типа. Известно даже имя хозяина гончарной мастерской близ Желтой реки, который, по-видимому, сам дошел до идеи маховика. Звали его Ланг Шан. К чести китайца, его маховик был значительно совершеннее. Вытесанный из камня, что придавало ему большую прочность и долговечность, массивный диск приводился во вращение ногами. Это позволяло развивать немалую скорость – ноги ведь гораздо сильнее рук.

Новое маховичное устройство появилось тоже в Китае примерно через полторы тысячи лет. В долине реки Ло Хо постоянно дули сильные ветры, которые сдували слои земли, образуя глубокие овраги. В этих оврагах на глубине 10...12 метров можно было найти воду, необходимую для орошения полей. Китайцы сооружали большие колеса с парусами на шестах, к колесам цепями крепили кожаные ковши для воды. Ветер надувал паруса и вращал колеса, поднимая воду из оврагов.

Однако когда ветер вдруг затихал, такое колесо останавливалось, а затем под тяжестью ковшей с водой начинало крутиться в другую сторону, сливая воду обратно в овраг. Чтобы этого не было, у колеса оставляли дежурить двух рабов, скованных цепью друг с другом. Как только ветер прекращался, они повисали на противоположной наполненным водой ковшам стороне колеса и удерживали его от обратного хода до следующего порыва ветра.

Однажды какой-то хозяин колеса, которому рабы понадобились для другой работы, решил заменить их тяжелым камнем. Ничего не получилось, все равно кто-то должен был в нужный момент привязывать камень к колесу, а потом отвязывать его. Хозяин махнул уже было на свою затею рукой, но тут налетевший ветер раскрутил колесо вместе с камнем, который не успели снять, и оно стало быстро вращаться, поднимая ковши с водой, причем не сразу остановилось, когда ветер опять стих.

Сообразительный хозяин тут же приказал привязать еще камней под каждый парус и стянуть шесты веревками. Так его колесо превратилось в огромный маховик, накапливавший энергию ветра и постепенно расходующий ее во время затишья. Благодаря маховику появилась возможность поднимать воду без постоянного контроля со стороны человека.

Сейчас такое сооружение назвали бы автоматическим водоподъемником маховичного типа, а тогда его именовали «Большое колесо Мандарина». Сохранилось и другое название маховичного колеса, по имени древней китайской цивилизации, на закате которой оно было создано, – колесо Пан-По.

Колесо Пан-По имело, по описаниям того времени, «четыре человеческих роста над землей и два – под землей». Крепкие «спицы», на концах которых были закреплены паруса и тяжелые камни, соединялись между собой распорками и канатами. Вал колеса покоился на подшипниках-втулках из твердых пород дерева, обильно поливаемых водой. Чем не современная жидкостная смазка подшипников?! Да, «Большое колесо Мандарина» было настоящим шедевром древних инженеров, на много лет опережавшим техническую мысль своей эпохи.

Маховики, правда, несравненно меньших размеров, применялись в старинных смычковых сверлилках-дрелях. Здесь роль маховика играл тяжелый диск, насаженный на сверло. Через него, обвиваясь, проходила тетива смычка. Двигая смычком вперед-назад, мастер разгонял маховик, а затем, надавливая на тупой конец сверла камешком с углублением, просверливал отверстия, используя накопленную в маховике энергию. Подобным способом можно было бы не только сверлить, но и добывать огонь трением.

Уже в древности появились первые маховичные игрушки. И раньше других – волчок, который радует детей и сейчас, спустя тысячелетия. Волчок весьма поучительная игрушка: он показывает сразу оба главных свойства маховика – накапливать и сохранять энергию, а также сохранять ось вращения в пространстве – так называемый гироскопический эффект. Эти свойства и обусловили применение маховиков в миллионах современных машин.

Детство мое и моих сверстников протекало в военные и первые послевоенные годы. Тогда стране было не до игрушек, и мы сами делали их из дерева, глины, отливали из свинца. Иногда волчки получались очень удачные – закрутишь такой, бросишь на пол и подстегиваешь кожаной плетью.

Волчок гудит, подпрыгивает от ударов и крутится, крутится чуть ли не часами.

Не менее интересную игрушку мастерили мы из крупного грецкого ореха. Орех просверливали или прожигали гвоздем в двух местах близ центра так, чтобы расстояние между отверстиями не превышало сантиметра. Потом пропускали в эти отверстия нити, связывали концы – и игрушка готова. Мы называли ее «жужжалкой». Многие из нас в то время считали, что «жужжалку» выдумали недавно, а она, оказывается, описана еще в древних кавказских рукописях.

Для запуска игрушки нужно было надеть концы нитяной петли на пальцы, растянуть ее, а затем, закрутив орех на несколько оборотов, отпустить его. Орех начинал раскручиваться и вскоре по инерции уже сам закручивал нить в другую сторону. Здесь следовало чуть ослабить натяг нити, чтобы дать ей возможность закрутиться на большее число оборотов, и снова растянуть. С каждым разом орех все стремительнее вращался вперед-назад, причем с сердитым жужжанием. Скорость его вращения достигала нескольких тысяч оборотов в минуту.

Еще одна старинная маховичная игрушка – «йо-йо». На глиняный, деревянный или металлический маховик с кольцевой проточкой посередине наматывалась нить длиной около метра. Держа свободный конец нити в руке, маховичок приподнимали над землей и отпускали. Падая, он раскручивался, приобретая все более быстрое вращение. При этом в нем накапливалась энергия, достаточная для его последующего подъема вверх по нити почти до самой руки. Если при падении маховичка нить слегка натягивали, а при подъеме чуть ослабляли, то маховичок наезжал прямо на руку.

По принципу этой игрушки действует хорошо знакомый всем по урокам физики прибор – маятник Максвелла, демонстрирующий переход потенциальной энергии в кинетическую и наоборот.

Маховичные игрушки много дали для развития идеи накопления энергии во вращающихся маховиках. Во все времена не только дети, но и ученые любили наблюдать за ними, изучали их свойства. Например, великий Ньютон, поясняя открытый им закон инерции, описывал вращение волчка. Однако минуло немало лет, пока для маховика нашлась серьезная работа.

Маховик берется за дело

Средневековая Европа. Пылают костры инквизиции. По малейшему подозрению в ереси уничтожаются ценнейшие книги. Процветают схоластика, алхимия, не сидят без работы и астрологи. Странный и страшный период в истории Европы, на несколько веков погрузилась она во мрак отсталости и невежества.

О маховиках тогда, конечно, никто и не думал. Да и о каких маховиках могла идти речь, когда «ученые мужи» были заняты поисками «философского камня», изгнанием дьявола, размышлениями на тему: «Сколько ангелов уместится на булавочной головке?»

Но почти через тысячу лет после гибели высокоразвитого античного Рима в Европе постепенно опять начинают заниматься делом. Медленно, но верно развиваются технические науки, появляются машины.

Машины поначалу были несложные, приводимые в движение вручную с помощью рукояток.

Тот, кто пробовал завести двигатель автомобиля рукояткой, хорошо знает, как это трудно. В наши дни такими рукоятками пользуются сравнительно редко. А каково же было людям средневековья? Для того, чтобы машина работала, им приходилось крутить рукоятку постоянно с утра до вечера, изо дня в день, из месяца в месяц, из года в год. Будучи, по существу, «живыми двигателями» средневековых машин, они быстро выбивались из сил, производительность их труда заметно падала. Разумеется, с таким положением нельзя было мириться. И вот однажды кто-то догадался снабдить рукоятку маховиком. Это позволило значительно облегчить труд работников. Отныне маховик стали применять в самых различных технических устройствах.

Характерным примером использования маховика в старинных машинах может служить ковшовый водоподъемник XV века, колесо которого должен был поворачивать вручную специально нанятый для этого работник. В те моменты, когда человеку было удобно вращать рукоятку, укрепленный на ней достаточно большой маховик «принимал» у него часть энергии и возвращал ее тогда, когда крутить рукоятку становилось очень неудобно. В результате и человек меньше утомлялся и машина работала более равномерно.

Другой пример – поршневой насос конца XV – начала XVI века. Помимо неудобства пользования рукояткой, здесь требовалось преодолеть еще одну сложность. Когда поршень поднимал воду, крутить рукоятку было намного тяжелее, чем во время его спуска. И нередко случалось так, что при подъеме у работника просто не хватало сил провернуть рукоятку, оказавшуюся в неудобном для него положении. Применение маховика позволило решить эти проблемы.

Даже тогда, когда машины стали приводить в движение с помощью водяного колеса, маховик не утратил своего значения. В XVI веке, например, его использовали в машинах для распиловки досок. Поднимать пилу вверх было легко: в это время она не пилила – наклон зубьев был в другую сторону. Опускать же оказывалось совсем непросто. Ведь при этом и происходила собственно распиловка доски. Без маховика пила бы часто застревала в доске, и водяное колесо не в силах было бы протянуть ее дальше. Теперь же маховик, разгоняясь при свободном ходе пилы вверх, отдавал ей свою энергию при рабочем ходе вниз. Пила не застревала, и дело шло быстро. Маховик здесь был уже гораздо больше по размерам и массе, чем на ручных машинах, – мощность тут требовалась изрядная.

В XVIII веке изобрели паровой двигатель, а в XIX – двигатель внутреннего сгорания. Оба поршневые. Главный же недостаток поршневой машины – неравномерность выделения энергии, неравномерность хода. Машина выделяет энергию лишь в момент подачи пара в цилиндр или в момент сжигания в нем горючего. Все остальное время она только расходует ее на свое прокручивание. Это необходимо, чтобы машина не остановилась.

Тут-то и пригодился маховик. Посаженный на вал двигателя, маховик при сжигании горючего – то есть при рабочем ходе машины – накапливает энергию, а потом за счет нее сам прокручивает машину для подготовки следующего рабочего хода. Если кто-нибудь думает, что едущий автомобиль постоянно приводится в движение двигателем, то он ошибается. Часть времени машину тянет двигатель, а часть – именно маховик. И изрядные расстояния мы, сами того не подозревая, проезжаем на маховичном автомобиле. Правда, такой маховик накапливает очень незначительную энергию по сравнению с другими аккумуляторами той же массы, и поэтому претендовать на роль «энергетической капсулы» он не может.

Часто маховик присутствует в машинах незримо, он «замаскирован» в них под какую-то деталь, но выполняет самую что ни на есть «маховичную» работу. Те, кто бывали на заводе, наверное, видели там механические ножницы. Мотор с помощью ремня крутит шкив, а от этого шкива приводится в движение нож. На первый взгляд шкив как шкив. А будь он полегче, не такой массивный, каким его изготовили, не сработали бы тогда ножницы – упершись в заготовку, нож сразу бы остановился. Только маховик, «замаскированный» в этом случае под шкив, позволяет за счет накопленной энергии развивать огромные силы и мощности, необходимые для работы.

«Маскируется» маховик обычно под шкивы, муфты, зубчатки, колеса и другие круглые, а подчас и не совсем круглые детали. В самом деле, почему бы и не использовать свободный обод маховика для размещения на нем ремня или зубьев? Это очень даже удобно.

Кстати, уж коли мы заговорили про колеса, то велосипедные колеса – настоящие маховики, на которые надеты шины. Но здесь используется главным образом другое свойство маховика – гироскопический эффект. Это он помогает сохранять устойчивость велосипеду, как и вращающемуся волчку – игрушке, на которой впервые этот эффект был подмечен.

Более чем 200 лет тому назад английский изобретатель Серсон попытался использовать это свойство волчка для создания «искусственного горизонта» – особого прибора, крайне необходимого в мореплавании: ведь нередко из-за тумана естественного горизонта не видно. Этот прибор нужен был морякам для астрономических наблюдений, чтобы выяснить, где находится в данный момент корабль. Раньше применяли для этих целей отвес, но при волнении на море отвес сильно раскачивался наподобие маятника и «поймать» горизонт было невозможно.

Судьба оказалась несправедливо жестокой к изобретению и к самому изобретателю. Фрегат «Виктори», на котором был установлен «искусственный горизонт», потерпел крушение, Серсон погиб. Об его изобретении лет на сто забыли.

Свойство маховика сохранять ось вращения в пространстве поначалу поражало меня, как, впрочем, и каждого, кто с ним впервые сталкивается. Только позже я понял, чем оно объясняется. Но уже до этого, наблюдая гироскопический эффект, я твердо решил применить его, если будет построена маховичная «энергетическая капсула».

Маховик перебирается на транспорт

Наступил XIX век, век настоящего расцвета машиностроения. Неизменный спутник машин маховик завоевывал себе прочное место на транспорте. А впервые он был использован там в 1791 году гениальным русским механиком-самоучкой И.П. Кулибиным, который применил его в своей знаменитой «самокатке».