Текст книги "Удивительная механика"

Нурбей Владимирович Гулиа
Удивительная механика
В поисках «энергетической капсулы»

От редакции

Проблеме создания совершенного накопителя энергии, образно названного автором «энергетической капсулой», посвящены сотни научных трудов и десятки книг Нурбея Гулиа – ученого, чьи работы получили признание как в России, так и за рубежом.

Энергетика всегда была и остается приоритетным направлением науки и техники, а накопители энергии – важным и перспективным разделом энергетики. Эффективное накопление энергии «впрок» должно обеспечить такой же революционный скачок в энергетике, как банковское дело в экономике. Пока же, к сожалению, о сохранении энергии про запас серьезно говорить не приходится. Автор – один из тех энтузиастов накопительной энергетики, кто в своих книгах не только настойчиво об этом говорит, но и постоянно доказывает делами плодотворность самой идеи, которой он, «загоревшись» еще в юношеские годы, остается верным по сей день. Самое же удивительное то, что большинство сложных проблем создания «энергетической капсулы» автор решил, хотя бы принципиально, именно в юношестве и ранней молодости. Решения эти оказались настолько новыми и полезными, что на многие из них были выданы патенты и в современной технике они активно используются.

Создатель знаменитой системы ТРИЗ – теории решения изобретательских задач – Г. С. Альтшуллер в самом начале своей книги «Найти идею» подчеркивает, что изобретателю-творцу для его творчества нужна достойная цель. И тут же приводит пример, имеющий непосредственное отношение к нашей книге: «Пятнадцатилетний школьник Нурбей Гулиа решил создать сверхъемкий аккумулятор. Работал в этом направлении более четверти века. Пришел к выводу, что искомый аккумулятор – маховик; начал делать маховики – своими силами, дома. Год за годом совершенствовал маховик, решил множество изобретательских задач. Упорно шел к цели (один штрих: авторское свидетельство N 1048196 Гулиа получил в 1983 году по заявке, сделанной еще в 1964 году, – 19 лет борьбы за признание изобретения!). В конце концов Гулиа создал супермаховики, превосходящие по удельной запасаемой мощности все другие виды аккумуляторов».

А вот уже нынешний итог творческой деятельности автора нашей книги, который подводит журналист Б. Гармаев в журнале «Компьютерра» за июнь 2004 года в статье, посвященной реализации творческих решений Нурбея Гулиа, задуманных им еще в юности: «Сегодня неугомонный профессор живет и здравствует, и 65 лет возраста ему не мешают заниматься штангой и моржеванием, но самое главное – творить и претворять свою мечту в реальность. Ученики Гулиа востребованы в странах Запада, сам же профессор остается на родине и продолжает попытки внедрения своих изобретений в России. Тем временем в Америке и Европе уже выходят на дороги автомобили с маховичными накопителями и бесступенчатыми вариаторами, возводятся инерционные хранилища энергии, реализуются и приносят прибыль идеи Нурбея Гулиа».

Здесь мы можем только добавить, что наш автор и сам активно сотрудничает как с Западом, так и с Востоком: он реализует свои изобретения в Германии и Австралии.

Мы полагаем, что нашим читателям будет полезно ознакомиться с книгой изобретателя и ученого, правдиво и критично описавшего свой творческий путь к поставленной цели. Этот путь, возможно, предстоит еще пройти нашим читателям, чтобы успешно реализовать себя в жизни. Стать «энергетическим банкиром», «хранителем, властелином энергии», а попросту создателем новых систем энергетических «банков», способных накапливать энергию, – неплохой способ самореализации для современного талантливого молодого человека. Ведь энергия будет постоянно дорожать, и не угнаться за ней ни золоту, ни деньгам!

Об этой книге

Проблема накопления энергии – одна из важнейших научно-технических проблем современности. Во всех промышленно развитых странах ведется научный поиск в этом направлении. Еще бы – топлива становится все меньше, энергия дорожает с каждым днем, а накопитель энергии мог бы основательно помочь в ее экономии.

Действительно, сейчас мы используем подавляющее количество энергии в момент ее выработки. А если бы человечество обладало эффективным накопителем энергии, той «энергетической капсулой», которую ищет автор книги, то можно было бы запасать энергию впрок, как бы передавать ее во времени. Трудно переоценить, какие выгоды дало бы человечеству использование «энергетической капсулы». Вместо двигателей на автомобилях стояли бы накопители, запасающие дешевую и экологичную – безвредную для природы – энергию мощных электростанций. Сами электростанции могли бы запасать в огромных накопителях энергию ночью, когда она сравнительно дешевая, и расходовать ее в часы пик. Энергия транспортных машин не переходила бы бесцельно в нагрев тормозов, а, проходя через накопитель, использовалась бы снова и снова. Ведь не секрет, что сейчас около половины энергии, вырабатываемой двигателями городских транспортных машин – автомобилей, автобусов, троллейбусов, поездов метро – бесполезно «гасится» в тормозах. Нетрудно представить, сколько энергии, горючего можно было бы сохранить в этих машинах с помощью накопителя.

Есть и другая сторона этой проблемы: проходя через накопитель, энергия становится как бы экологичнее, безвреднее для окружающей среды. Двигатели транспортных машин работают в этом случае гораздо равномернее, а вредность от отработавших выхлопных газов в несколько раз меньше, чем обычно.

Помимо сказанного, «энергетическая капсула» нашла бы себе применение и в грузоподъемных машинах, и в авиации, и на космических станциях, и на буровых установках, а также во многих и многих других случаях, которые кратко и не перечислить.

Автор книги – профессор, доктор технических наук Н. В. Гулиа еще с юных лет увлекся поиском «энергетической капсулы» и до сих пор, как мне известно, верен этому поиску. Все это он честно и правдиво описывает в своей книге, не скрывая ни ошибок, ни заблуждений. В этой жизненности, наряду с научной достоверностью, основная ценность книги. Автор рассказывает о своем пути в науку, о своих находках и неудачах, которые, в общем, свойственны любому человеку, ведущему научный поиск.

И «капсула», которую он все-таки находит, – это его детище, о котором автор просто не в силах писать беспристрастно.

Н. В. Гулиа делает вывод о том, что «энергетическая капсула», которую он нашел, – супермаховик. Думается, такая его позиция в данном случае вполне оправданна. Во-первых, он как создатель первой модели супермаховика, естественно, в той или иной мере склоняется в его сторону. А во-вторых, супермаховик объективно не имеет себе равных по перспективам накопления энергии. Если несколько лет назад это признавали только энтузиасты маховиков, то сейчас супермаховик признан всеми специалистами. Исследование этого типа накопителей энергии достаточно широко развернуто и у нас в стране, и за рубежом.

Надо сказать, что автор довольно подробно, с любовью описывает и другие типы накопителей, подчеркивая их достоинства и отмечая недостатки. При этом называет и причины, по которым он не занялся поиском в том или ином направлении, причем причины субъективные, не умаляя объективных достоинств того или иного типа накопителя. Это придает изложению правдивость, так как мы видим живого человека в его поиске, сомнениях, возможно, и в субъективных воззрениях, а не сухую схему.

Я надеюсь, что среди юных читателей этой книги будут и такие, которые проложат свой путь и сделают свои, быть может, совершенно необычные открытия в увлекательном поиске «энергетической капсулы».

Вице-президент РАН, академик К. В. Фролов

НАЧАЛО МЕЧТЫ

Автор вспоминает, как он, разочарованный в ряде других занятий, приходит к решению стать энергетическим «банкиром» и посвятить себя поиску «энергетической капсулы» – этакого «банка» для хранения энергии, не подозревая о том, каким трудным, но увлекательным делом это окажется, и сколько подводных камней и побед ждет его на этом пути.

Кто в юности не мечтает совершить выдающееся открытие, сделать ценное изобретение? Кто не хочет удивить современников и остаться в памяти потомков? Кто не хочет, чтобы его называли гением? Вот с этих честолюбивых замыслов и начался мой путь к «энергетической капсуле».

Предыдущие мои попытки поразить мир – то игрой на скрипке, то сочинением стихов – кончались глубоким, почти летаргическим сном слушателей. Домашним занятиям гиревым спортом был положен конец жильцами нижнего этажа, а увлечению химией, из-за взрыва – всеми соседями сразу.

Печальнее всего закончилась для меня попытка обрадовать человечество открытием в области медицины. Создав «чудодейственное» средство от облысения в двух составах, один из которых нужно было втереть в голову, а другой – выпить, я решил испробовать его на себе. Побрив голову, я приступил к опыту… И сразу же был доставлен в больницу. Мне казалось, что голова начала переваривать пищу, а в желудке выросла шевелюра. Вероятно, в волнении я перепутал составы.

Занятиям гиревым спортом был сразу положен конец соседями снизу

Вопреки ожиданиям врачей я все-таки выжил. И по совету знакомых стал готовить себя в инженеры. Мол, раз таланта нет, единственный выход – в инженеры!

Но так думают все кто угодно, но только не сами инженеры, особенно хорошие. Плохие инженеры, конечно, могут так рассуждать. Это облегчает их трудную жизнь. А я был просто поражен тем простором для поиска интересных идей, который открывала передо мной техника. Однако простор – это и хорошо и плохо. Хотелось заняться не пустячной, а чрезвычайно важной, «глобальной» проблемой. Начались муки выбора.

Говорят, якобы французский философ Буридан утверждал, что, если голодного осла поставить на равном расстоянии от двух одинаковых кучек сена, то он умрет от голода – не сможет выбрать, с какой начать. Конечно, обычный живой осел так не поступит, если он не совсем уж «осел».

Буриданову ослу суждено умереть от голода между двумя одинаковыми и равноудаленными кучками сена

Я же рассуждал так. Что нужнее всего для существования человечества? Что будет дорожать с каждым днем? Что нельзя заменить ничем другим? Что не потеряет своего значения для людей, даже если они переселятся на другие планеты? И ответ на все эти вопросы у меня нашелся только один – энергия. Вот она – самая важная субстанция для человечества! Важнее золота, пищи и даже воздуха. Имея энергию, и пищу можно приготовить, и воздух добыть, хотя бы из воды. Но, увы, не наоборот! Стало быть, ею и надо заниматься.

«Загадочный» английский поэт Уильям Блейк так писал об энергии: «Вся жизнь есть энергия, энергия – вечный восторг!» А поэты – они провидцы, пророки, – им верить надо!

Однажды, правда, я уже «обжегся» на энергии, пытаясь построить вечный двигатель. Но желание приручить ее у меня не пропало. Я понимал, что получать энергию, сжигая горючее, по меньшей мере неперспективно. Горючее рано или поздно кончится, и замрут двигатели, тепловые электростанции, пропадет труд, затраченный учеными, инженерами, рабочими на создание этих машин. Я знал, что запасов горючего человечеству хватит ненадолго, особенно нефти. Не успеешь и состариться – а нефти уже нет. Кроме того, топливо, сгорая, сильно загрязняет атмосферу. А мне очень не хотелось вступать в конфликт с природой. Я понимал, что выиграть в этом споре нельзя.

Можно, конечно, получать энергию от поистине вечных и к тому же безвредных для природы источников: огромные, практически неисчерпаемые запасы энергии таят в себе ветер, реки, морские приливы и течения, внутреннее тепло Земли; немалые надежды возлагают ученые и на использование атомной и термоядерной энергии.

И все-таки самой главной, естественной и вечной «электростанцией» служит для нас Солнце. Это его энергия «законсервирована» в ветре, в течениях рек и океанов, в том же горючем. Солнце посылает нам энергию независимо от того, хотим мы этого или нет. Так давайте же воспользуемся ею! Правда, надо еще суметь это сделать!

Словом, энергии вокруг нас – хоть отбавляй. Но смогли бы мы использовать это море энергии, если бы не научились передавать ее на расстояние, по проводам?

Трудно даже вообразить, что бы мы все делали без электроэнергии, передаваемой на расстояние. Пришлось бы вырабатывать энергию на том же месте, где запланировано ее использование. Наши квартиры освещались бы свечами, отапливались печами. А в гости мы ездили бы на лошадях или паровиках…

Впрочем, сегодняшние автомобили в этом отношении не ушли далеко от своих предков – паровиков. Ведь энергия вырабатывается их двигателем из горючего непосредственно в самом автомобиле. Насколько он отстал, этот маленький автомобильный двигатель, не только от солнечной или атомной электростанции, но даже от обыкновенной тепловой – ТЭС! Он куда более дымный, шумный, прожорливый. Если, конечно, сравнивать все эти качества при одном и том же количестве вырабатываемой энергии.

Экологические источники энергии не всегда вырабатывают ее тогда, когда она нужна; «банк энергии» позволяет накапливать и выдавать энергию всегда вовремя

А использовать дешевую и безвредную энергию электростанций на автомобилях нельзя – не привязывать же автомобиль к станции проводами! Тракторы, комбайны, самолеты и многие, многие другие машины постигла та же участь, что и автомобили, – им самим приходится «добывать» для себя энергию, хотя это совсем невыгодно.

Значит, надо научиться передавать энергию без проводов, вроде как по радио. Да и дело не только в этом. Выработка и потребление энергии далеко не всегда совпадают по времени. Днем светит Солнце – пожалуйста, используй его энергию. А наступил вечер – откуда ее взять для освещения? Работает крупная электростанция, освещает город. Вечером нагрузка на нее огромна – в каждом окне горит свет. Ночью свет погашен – ну и что! Не останавливать же из-за этого станцию!

У автомобиля тут преимущество: не нужно ехать – выключай двигатель. Но хорошо ли это? Двигатель должен работать, а не стоять и ржаветь. А куда девать его энергию, если автомобилю она в это время не нужна?

Выходит, недостаточно передавать энергию на расстояние, даже если это делать без проводов. Надо еще уметь «переносить» ее во времени! Консервировать, как пищу, копить, как деньги в банке! Тогда все проблемы обеспечения людей энергией будут решены.

Вот это задача, ею стоит заняться!

И я решил изобрести, как я ее назвал для себя, «энергетическую капсулу», которую можно было бы «заряжать» энергией, а затем использовать как бензобак. В отличие от бензобака, в моей «капсуле» должна накапливаться исключительно безвредная для человека энергия. И не так мало, как в автомобильных аккумуляторах, а столько, сколько, например, в том же бензобаке. Ведь не секрет, что в тяжелом автомобильном аккумуляторе содержится энергии не больше, чем в рюмке бензина… И я захотел стать обладателем самого ценного в мире богатства – энергии! Имея «энергетическую капсулу», я стану всесильным энергетическим «банкиром» человечества, подлинным «властелином энергии»!

Итак, поиск «энергетической капсулы» – накопителя энергии – начался.

ЭНЕРГЕТИЧЕСКИЕ ИСКУШЕНИЯ

Поднять, растянуть, накачать?

Автор пытается разобраться, что же, собственно, он хочет найти, а затем ищет это в часах-ходиках, гитарных струнах, пружинах, резине, воздухе и других газах…

У буриданова осла было только две кучки сена, и то он не мог сделать выбор. А тут – попробуй выбери подходящую основу для «энергетической капсулы». Ведь существует немало всяких накопителей или аккумуляторов энергии, о которых я, к сожалению, имел тогда довольно смутное представление.

Чтобы определить аккумулятор, который имеет шансы стать «капсулой», я стал выяснять, каким образом различные аккумуляторы запасают энергию. Мне казалось, что «свежему» человеку в этом легче разобраться, чем специалисту, который занимается каким-либо одним аккумулятором.

Когда человек чего-нибудь совершенно не знает и хочет получить хотя бы общую справку, ему советуют заглянуть в энциклопедию. В Малую или Большую. А если нужно проследить что-то с самого начала, то нет ничего лучше старинного энциклопедического словаря Брокгауза и Ефрона. Открыв золоченый том этой ценнейшей книги 1890 года издания на слове «аккумулятор», я прочел: «Так называются в машиностроительном деле приборы для накопления механической энергии. Изобретены они Армстронгом и основаны на постепенном поднятии на высоту большого груза или на сильном сжатии воздуха».

Энциклопедии последующих выпусков сообщили мне, что аккумулятором вообще называется «устройство для накопления энергии с целью ее последующего использования» и что аккумуляторы бывают электрические, тепловые, механические, в том числе изобретенные Вильямом Армстронгом. После каждой статьи об аккумуляторах были помещены ссылки на книги и другие источники, в которых этот вопрос излагается подробно.

Все! Конец ниточки был у меня в руках, и, потянув за него, я уже мог размотать весь «аккумуляторный клубок». Однако меня смутило определение понятия «аккумулятор» в энциклопедии. Получалось, что аккумулятор и задуманная мной «энергетическая капсула» – это совсем не одно и то же.

Электрическая, или электрофорная, машина

«Устройство для накопления энергии с целью ее последующего использования…» Я вспомнил школьные опыты с электрической машиной. Мы крутили большой стеклянный диск, трущийся о кожаные подушки, а затем извлекали из заряженных шаров или так называемых лейденских банок (и то и другое – конденсатор) яркие искры. Вращая диск, мы накапливали энергию, а извлекая искры из шара или лейденской банки, использовали ее. Как будто это устройство подходит под определение «аккумулятор», но что-то подсказывало мне, что электрическая машина – не аккумулятор. Ведь заряжали мы электричеством только шар или лейденскую банку, именно они накапливали энергию. А стеклянный диск, трущийся о подушки, служит для преобразования механической энергии вращения в электроэнергию, он не имеет к аккумулированию никакого отношения. Такие устройства для преобразования энергии в энциклопедии называются «машинами».

Лейденская банка – первый конденсатор

Значит, аккумуляторы-накопители здесь – шар или лейденская банка, а все устройство, включая и диск с подушками, – это не аккумулятор, а машина, электрическая машина.

Выходит, аккумулятор должен выделять энергию в том виде, в каком она была в него «заложена». Тогда он будет хранилищем энергии, «энергетической капсулой». А если форма энергии изменяется, это уже не аккумулятор, а машина. Если мы кладем на сберкнижку рубли, то рубли с нее и получаем. Действительно, сберкнижка – «аккумулятор» денег. Но допустим, что мы положили туда рубли, а получили, например, монгольские тугрики на ту же сумму. Тогда сберкнижка – уже не аккумулятор денег, а самый настоящий обменный пункт. Видимо, и энциклопедиям не всегда можно доверять, их тоже люди пишут. Хорошо, лейденская банка – уж точно аккумулятор энергии. И потомки лейденской банки – конденсаторы, без которых не обходится ни один радиоприемник или телевизор, – тоже аккумуляторы.

Порывшись в памяти, я заключил, что наряду с конденсаторами электроэнергию накапливают и катушки-электромагниты. Те самые, которые мы видим и в мощных электромагнитных подъемных кранах, перегружающих металлолом, и в электронных будильниках, я уж не говорю о том, что в каждом приемнике или телевизоре их десятки.

Правда, в конденсаторах энергия накапливается в виде электрического заряда, а в электромагнитах – в виде магнитного поля вокруг катушки.

И уж конечно, к накопителям энергии относится всем нам известный автомобильный электроаккумулятор. Вроде бы больше нет других устройств, которые могли бы накопить электроэнергию.

Позвольте, а электроутюг или электроплитка?

Подумав об утюге, я все-таки решил, что накапливает он не электричество, а тепло. Тепло переходит в утюг от раскаленной спирали или другого нагревательного элемента, питаемого электротоком: электроэнергия в спирали – преобразователе энергии – превращается в тепловую энергию, а последняя накапливается в металлической массе утюга. То же самое происходит и в электроплитках, а также любом другом электронагревательном приборе.

Но лучше всего проявляются теплоаккумулирующие свойства в обыкновенном чугунном утюге, разогреваемом на газе. Тепло от газового пламени переходит в металл утюга и довольно долго в нем сохраняется.

Стало быть, утюги, грелки и другие устройства, накапливающие тепловую энергию, можно отнести к аккумуляторам тепла.

Электромагнит – индукционный накопитель энергии

Пружина и поднятый груз в часах накапливают механическую потенциальную энергию

Какая еще форма энергии осталась «не охваченной» накопителями? Электроэнергия есть, тепловая тоже. Осталась, пожалуй, самая привычная – механическая энергия. Оказывается, поддается накоплению и она, причем каждый из нас является хозяином по крайней мере одного накопителя механической энергии – часовой заводной пружины. Конечно, речь идет о тех, кто носит механические, а не электронные часы. В механических часах целых два пружинных аккумулятора – заводная пружина и пружинка балансира. А если эти часы – будильник, то добавляется еще и пружина боя или звонка. Многие приборы работают на энергии пружин. Заводные игрушки, механические бритвы тоже питаются этой энергией.

Неплохой накопитель механической энергии – резиномотор, часто применяемый на летающих моделях. Я строил такие модели и даже пытался усовершенствовать их, устанавливая вместо резиномотора металлическую пружину, но, к моему удивлению, модели сразу же «разучивались» летать. Где-то я читал, что подобные модели с пружинами и воздушными винтами строил еще М. В. Ломоносов, но и у него они не взлетали. И как будто эти неудачи на некоторое время скомпрометировали идею создания летательного аппарата тяжелее воздуха. Жаль, что в то время Ломоносов не мог построить резиномотор!

На этом же свойстве резины накапливать энергию построены рогатки. В детстве я, как и многие мои сверстники, очень любил мастерить рогатки и метко стрелял из них. Помню, однажды я выиграл спор с товарищем, «расстреляв» из рогатки те подвижные мишени в тире, в которые он не смог попасть из пневматического ружья.

Правда, пневматическое ружье стреляло гораздо дальше моей рогатки, потому что сжатый воздух, который гнал пулю по стволу ружья, был гораздо «сильнее» резиновой ленточки. Отсюда я сделал вывод, что сжатый воздух как накопитель механической энергии очень и очень неплох. Молодец Армстронг, придумавший этот вид аккумулятора!

Я знал, что механическую энергию можно накопить и во вращающихся маховиках. Были у меня инерционные игрушечные автомобили: их надо было сначала поводить по столу, а потом они могли метр-два проехать сами. То есть не сами по себе, а за счет энергии, накопленной в небольшом маховике внутри игрушки. Не раз видел я точильные круги, которые после выключения мотора еще долго вертелись за счет накопленной в них кинетической энергии, и на них в это время даже можно было точить ножи.

Вращающийся точильный круг накапливает механическую кинетическую энергию

Признаться, поначалу я не очень верил в аккумулирующие возможности маховиков. Мой игрушечный маховичный автомобильчик проходил гораздо меньшее расстояние, чем заводной. К тому же, я однажды стал свидетелем – каких бед способен наделать разорвавшийся на ходу точильный круг, когда его осколки ломают все на своем пути. И я представил себе, что могла бы натворить «энергетическая капсула» с огромным запасом энергии, разорвись она, как этот точильный круг…

Вот, пожалуй, и все формы энергии, за исключением световой. Можно, конечно, как это ни покажется странным, накопить и световую энергию. Многие мои товарищи увлекались такими накопителями, даже не подозревая, что это и есть накопитель. Я имею в виду светящиеся краски, которыми окрашивают стрелки и цифры приборов, часов, иногда выключатели. Если их предварительно осветить, то потом они долго выделяют накопленную световую энергию, «горя» различными цветами. Краски эти, называемые кристаллофосфорами, очень интересно готовить самому. Я тоже их готовил, любовался сказочно красивым сиянием в темноте. Но все-таки мечтал создать «энергетическую капсулу» не для световой энергии, а для такой, которая могла бы питать автомобили и другие машины.

В итоге я наметил для себя следующие виды накопителей, из которых надлежало выбрать свой, лучший, чтобы работать над ним в дальнейшем: устройства, накапливающие механическую энергию, – поднятого груза, растянутой пружины или резины, а также сжатого газа (сюда же я отнес и маховики, накапливающие при вращении кинетическую энергию); устройства, накапливающие электрическую энергию, – конденсаторы, электромагнитные катушки и электроаккумуляторы, наподобие тех, что стоят на автомобилях; устройства, накапливающие тепловую энергию от различных нагретых тел.