Удивительная физика

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.