Техника - молодёжи 1993-09, страница 23
Есть идея! Валерий БОГДАНОВ, инженер НА ГРЕБНЕ ВОЛНЫ - В ТРЕТЬЕ ТЫСЯЧЕЛЕТИЕПри огромном разнообразии современных транспортных средств им присущ общий коренной порок. В конечном счете все они едут, летят, плывут благодаря единственному и, увы, весьма «грязному» процессу: сжиганию топлива. А солидный, многотоннажный электрический транспорт намертво привязан к железным дорогам... Результат налицо: неумолимо тают запасы ценных органических ископаемых, загрязняются атмосфера и Мировой океан. Дальнейшая экспансия подобной техники грозит гибелью всему живому. Короче, переход на принципиально новые виды транспорта в перспективе просто неизбежен. И тут не стоит отвергать с порога даже самые экзотические идеи. Тем более такую, которая успешно реализована... уже много веков назад. Речь идет о серфинге. Когда по океанскому простору катится могучий вал, частицы воды в нем почти не перемещаются в горизонтальном направлении. В среднем все они только периодически опускаются и поднимаются по вертикали (со сдвигом по фазе). Иное дело — человек на доске. Взлетев на гребень волны, он обретает дополнительную потенциальную энергию. Она, как и положено, «тянет» его прямо вниз, стремясь перейти в энергию движения — кинетическую. Но по скату водяной горы доска съезжает не вертикально, а наклонно, отчего и возникает горизонтальная составляющая скорости. Однако заметим: самого спуска при этом надо всячески избегать. Ведь потерять набранную высоту — значит лишиться «движущего потенциала». С другой стороны, приобретенную скорость, то есть кинетическую энергию, тоже нельзя утратить. Иначе сразу отстанешь от постоянно поднимающей тебя волны и опять же соскользнешь вниз. Короче, балансируя на гребне, надо поддерживать определенный запас энергии и того и другого вида. Конечно, он непрерывно расходуется, однако его столь же непрерывно пополняет несущая волна. Образно говоря, за спиной спортсмена должна все время возвышаться гора не просто водяная, но и своего рода энергетическая. А перед ним, наоборот — как бы зиять такая же яма. Выражаясь строже, нужен определенный градиент (перепад) энергий по направлению движения доски. В итоге и возникнет сила, толкающая ее вперед. Но заметим: такая формулировка годится уже не только для серфинга! Мы выявили гораздо более общий принцип движения тел. Настолько общий, что конкретный вид волны (водяная, звуковая, электромагнитная или, допустим, даже тепловая) тут, оказывается, не имеет никакого значения. Важно лишь создать впереди и позади тела градиенты потенциальной и кинетической энергии. Мало того: какая-то внешняя волна в данном случае... вообще не обязательна! Ведь в принципе нужный «энергетический рельеф» может создать вокруг себя и само тело. Вот один из возможных вариантов. Возьмем текучую среду. В каждой единице объема она всегда имеет какой-то запас кинетической (W) и потенциальной (U) энергии. Он зависит от вида и поведения элементарных структурных образований среды. У воды, как известно, это квазикристаллические ассоциации молекул с высоким ближним порядком Их состояние (прежде всего характер тепловых колебаний и степень упорядоченности) и определяет величины W и U. В исходном равновесном состоянии обозначим их WQ и «U0 (рис. 1а). Поместим в среду тело (устройство) с параллельными поверхностями S{ и S2. Расположим их перпендикулярно горизонтальной оси X так, чтобы Sx «смотрела» влево, то есть была задней, a S2 — передней (рис. 16). Внутренний энергоисточник тела нарушает равновесное состояние среды вблизи обеих поверхностей, причем в противоположные стороны. Допустим, непосредственно на поверхности Sj значения W и U теперь равны Wl = W0 +AWи Uj = U0 +AUf а на S2\ соответственно,— Wj = Wa -AWи Uj = U0 -AU. Естественно, при удалении от поверхностей эти величины снова плавно приближаются к W0 и U0— как показано на графиках рис. 1а. ВАЖНОЕ ПРИМЕЧАНИЕ. Точку отсчета энергий на графиках принято выбирать так, чтобы кинетическая (W) была положительной, а потенциальная (U) — отрицательной. Поэтому абсолютная величина (модуль) U0 от прибавления AU уменьшается, а от вычитания —увеличивается. Таким образом, вдоль оси X на некотором расстоянии (скажем, D) от тела создаются градиенты энергий ZYW7D и А\3/ D, то есть имеющие размерность силы. Прямо из графиков легко понять, что на обеих поверхностях эти силы направлены в одну сторону, а именно — вправо по оси X. В результате тело и должно начать двигаться в указанном направлении. Подтвердить описанную идею удалось в довольно простом эксперименте, суть которого поясняется на рис. 2. Погружаемое в воду устройство состоит из двух одинаковых и соосных цилиндрических емкостей, расположенных друг за другом. Их плоские поверхности S] и S2 (торцевые) сделаны из тонкого металла с хорошей теплопроводностью, а цилиндрические — из теплоизолирующего мате риала. Емкости разделены толстым слоем пенопластового теплоизолятора 1 и имеют заливные отверстия 2. Правый отсек наполним водой и заморозим ее. а отверстие закроем пробкой. Левый отсек прогреем, зальем кипятком и гакже закроем. Аккуратно опустив устройство в воду с комнатной температурой, можно наблюдать его движение в направлении вектора силы F на рисунке. Скорость определяется по смещению стрелки 3 вдоль шкалы 4. Уровень погружения устройства относительно поверхности жидкости 5 регулируется предварительным подбором балласта 6. Испытывалось «судно» общей массой 200 г (в том числе примерно по 60 г льда и воды) при площадях торцевых поверхностей 28 кв. см. Опыты показали, что максимальная скорость — порядка 12—18 см/с — достигалась в течение второй минуты движения. Пройдя примерно за 6 мин расстояние в 50 — 70 см, устройство останавливалось: ведь запасы тепла и холода в емкостях ограничены. Энергий % © Wo_А ! v/o
Рассмотрим физический механизм явления. Тогда, кстати, удастся сделать и некоторые количественные оценки. Используем понятие удельного объема жидкости Vy. Это параметр, обратный плотности, то есть имеющий размерность куб.см /г. Значит, как и сама плотность, он зависит от температуры. Будем считать равновесным значение Vy при 2(Р С. По известным данным (см. Физическая энциклопедия. М., 1960, т. 1, с. 268) можно оценить средние изменения 20 |
