Если подсчитать силу, с которой нужно толкать или тянуть такой автомобиль, чтобы он ехал равномерно, то получится около 250 ньютонов. Эта сила была определена так. Автомобиль массой в 1 тонну привязали буксиром к другому автомобилю, а в буксирное устройство вставили динамометр – измеритель силы, или попросту пружинные весы. При равномерном буксировании со скоростью 60...80 километров в час динамометр показывал 250 ньютонов.
Работа, которую затратит автомобиль, проехав 100 километров, будет равна произведению силы на путь, а именно 25 тысячам ньютоно-километров. Переведя это в обычные для нас единицы работы – джоули (а один джоуль равен одному ньютоно-метру), получим 25 миллионов джоулей, или 25 мегаджоулей (МДж).
Значит, мой эталонный накопитель должен иметь запас энергии 25 мегаджоулей. Какой из аккумуляторов – механический, электрический или тепловой – окажется «чемпионом» по легкости, тот и будет претендентом на «энергетическую капсулу».
И вот еще что. Для перемещения среднего автомобиля на 100 километров, иначе говоря, для совершения работы в 25 мегаджоулей, достаточно всего около 10 килограммов топлива. Это знает любой водитель. Остается прикинуть, что покажут известные мне накопители – больше или меньше 10 килограммов?
Чтобы запасти 25 мегаджоулей аккумулятором Армстронга в виде поднятого груза, надо вознести 2,5 тонны груза на высоту километра либо 2,5 тысячи тонн на высоту метра. Для автомобиля, разумеется, более подходит вторая высота, но куда девать 2,5 тысячи тонн груза? Что и говорить, неудобный аккумулятор! Его и на автомобиле не разместишь, разве что поднять машину на двух с половиной километровую высоту. Тогда она сама станет аккумулятором энергии. Спускаясь с этой «горы», автомобиль сможет пройти без двигателя необходимые 100 километров, используя энергию, накопленную при подъеме. Но на каждые 100 километров пути гор, как говорится, не напасешься. Да и потом, не всегда же спускаться, нужно и подниматься когда-то.
Выходит, поднятый груз из списка претендентов на «капсулу» надо вычеркивать. Пусть он исправно служит, как и раньше, в часах-ходиках.
Следующим накопителем энергии в моем списке была пружина. Прямо скажу: пружины меня очень заинтересовали. Тем более, что, как я слышал, были в свое время пружинные колесницы, на которых коронованные особы совершали свой торжественный выезд. Нельзя ли автомобили приводить в движение энергией заводной пружины?
На глаза мне попались пружинные весы, или безмен. «Что, если попробовать сделать тележку, движущуюся энергией, 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 повернуть их в обратную сторону. Растянув пружину на полную длину (у обычных хозяйственных безменов это соответствует 10 килограммам, или, правильнее, 100 ньютонам), я поставил «безменовоз» на пол. Но перед тем как отпустить колеса, положил на тележку гирю, чтобы та была 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 «безменовоза». 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.
Пружина навивается из стальной упругой проволоки. Растягивая пружину, мы как бы скручиваем 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 натяга 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 натяга и с печальным звоном лопается.
Печальный 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 прочна. Проволока сечением 1 мм2 может выдержать до 400 килограммов груза. При этом метровая проволока упруго вытянется ни мало ни много – на 2 сантиметра. Запас потенциальной энергии в такой проволоке будет равен произведению средней силы на удлинение, то есть почти 35 джоулям. Объем этой проволоки легко вычислить, он равен всего 1 см3, а масса – около 8 граммов.
Если мы поделим энергию на массу, то получим весьма важный показатель для оценки аккумуляторов – удельную энергоемкость, или плотность энергии. Этот показатель характеризует, сколько энергии сможет 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 будет около 4 тысяч джоулей на килограмм, или 4 килоджоуля на килограмм.
Крупный концертный рояль, например, накапливает в своих струнах столько энергии, что ее хватило бы для передвижения его на несколько десятков метров! Правда, рояль пришлось бы поставить на велосипедные колеса, чтобы облегчить «ход». 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 вес!
Конечно, музыкальная струна – это уникальный, дорогой материал. Для обычных стальных пружинных материалов плотность энергии снизится более чем вдвое. Учитывая, что материал пружин напряжен неравномерно, а также сделав поправку на необходимый в любом случае коэффициент запаса прочности, я подсчитал, что каждый килограмм пружины накопит не более 0,5 килоджоуля энергии. Значит, автомобиль массой в 1 тонну для прохождения 100 километров пути должен иметь пружинный аккумулятор массой... 50 тонн!
А как же все-таки передвигались старинные королевские пружинные экипажи? Впоследствии в одной из книг я прочитал, что их в поте лица своего постоянно «подзаводили» сильные работники, хорошо спрятанные среди золоченой мишуры колесниц. Иначе бы не пройти им и десятка метров. Вот и весь секрет!
Итак, пружины тоже пришлось вычеркнуть. Претендентов на «капсулу» 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 построить «сверхрогатку», но получился конфуз. Под смех товарищей моя «сверхрогатка» выплюнула камень мне в ноги. Выходит, не так уж плоха резина и для рогаток и для резиномоторов. И ведь используется здесь именно свойство резины накапливать энергию.