ОСНОВНЫЕ ПРИНЦИПЫ СОХРАНЕНИЯ И НАКОПЛЕНИЯ ЭНЕРГИИ

Андрей Иванович Касьян

"Наступит время, когда тщательные и продолжительные
исследования прольют свет на вещи, пока скрытые от нас".
Сенека

Еще Козьма Прутков замечал: "Во всех частях света есть другие, не менее замечательные части". В повседневной жизни, кроме знакомства с различными проявлениями энергии, нам приходится сталкиваться и со многими другими интересными явлениями. Попробуем в этой статье заняться эффектом от действий упругих сил при накоплении энергии. Рассмотрим эти явления в контексте развития техники.

Энергию можно запасти либо в движущейся массе (например, маховике, о чем мы уже говорили), либо с использованием гравитационного поля Земли, либо, например, используя силу упругости. Так делали многие изобретатели первых механизмов и устройств. Упругим элементом называют гибкие детали, способные деформироваться под нагрузкой. Пружины, мембраны, сильфоны и др. упругие элементы принимают всевозможные формы. Сильфон - тонкостенная трубка с гофрированной поверхностью. Назначение упругих элементов весьма разнообразно и не может быть описано в рамках статьи. Мы будем рассматривать их с точки зрения накопления энергии.

Модуль упругости - характеристика сопротивления материала упругой деформации, которая равна отношению напряжения к вызванной относительной деформации. Модуль упругости при осевом растяжении/сжатии называют модулем Юнга в честь английского физика Т. Юнга (1773-1829). При сдвиге он называется модулем сдвига. Явление упругости не требует особых пояснений: его можно почувствовать, сдавив рукой воздушный шарик или заводя обычный будильник. Сжимая пружину или натягивая лук, мы запасаем в них энергию. Эта энергия может быть с пользой освобождена в дальнейшем. Предмет нашего разговора позволяет помыслить обо всем этом всерьез.

Динамический накопитель, о котором мы подробно упоминали в прошлом, - чемпион по плотности запасенной энергии. Но он содержит движущиеся части. Это - недостаток. Поднятое на некоторую высоту тело (все равно - твердое или жидкое; главное, чтобы оно имело плотность большую, чем у окружающей среды) имеет запас энергии, которая называется потенциальной. К сожалению, этот запас мал и ограничен возможностями подъема массы на высоту. Тем не менее механизмы, использующие потенциальную энергию, сыграли большую роль в развитии цивилизации. В четвертом тысячелетии до н. э. в древнем Египте были созданы обширные ирригационные хозяйства. Были осушены огромные заболоченные площади по берегам Нила, что позволило получить прирост сельскохозяйственной продукции, привело к имущественному расслоению и образованию экономически господствующих групп. С технической точки зрения огромную роль в этом деле сыграли водоотливные средства, такие как "шадуф", предок нашего колодезного журавля. Этот простейший механизм до сих пор применяется в Египте. К концу длинного шеста привязывается ведро. Шест как детские качели укрепляется на стойке таким образом, что его стороны имеют возможность подниматься и опускаться. На другом конце шеста имеется груз, который уравновешивает ведро. На примере этих устройств мы видим, как практические потребности и развитие ремесел привели в конце концов к возникновению механики.

Для механического перемещения использование потенциальной энергии малоэффективно: даже небольшую тележку, не говоря о летательном аппарате, нелегко привести в движение находящимся на ней грузом. Известны самодвижущиеся стенды Герона Александрийского (умер около 70 г. до н.э. в своем родном Египте), в которых груз, соединенный с колесами через систему веревок и шкивов, помещался в верхней части, где было насыпано зерно. По мере высыпания зерна груз опускался, натягивая веревку и вращая колеса автомата. Героном было сконструировано большое число подобных стендов.

Большую роль в развитии техники играло водяное колесо. В Междуречье и Египте водоподъемные колеса поливных систем, приводимые в движение водой, работали еще три тысячи лет назад. Вавилонские водоподъемные машины имели приводящие в изумление современников размеры. Кстати сказать, аналогичные системы функционируют и до сих пор: вода-то течет, топлива не требует. В конце I тыс. до н.э. китайцы изобрели водяную мельницу, в которой использовался эксцентрик. В конце первого столетия до н.э. известный архитектор Витрувий (I век н.э.) описал вертикальное колесо, которое возможно было его изобретением. В этом устройстве зубчатое (цевочное) зацепление имело такую же конструкцию, как и у водоподъемного колеса, которое было изобретено за несколько столетий до описываемых событий.

Постепенно водяные колеса совершенствовались, пока не стали основным двигателем практически во всех видах производства. Оно, например, применялось даже для волочения проволоки. Мощность водяного колеса во много раз превышала мощность вола в упряжке. В среднем она составляла несколько десятков киловатт. К.п.д не превышал 0,75. Колеса были трех типов в зависимости от высоты напора воды: нижнебойные, среднебойные и верхнебойные. В XVII в. все шире стали применяться верхнебойные, как более производительные.

Русский изобретатель К.Д. Фролов (1728-1800) на алтайском Колываново-Воскресенском руднике применил в гидротехнических сооружениях водяные колеса диаметром до 17 м. Самые большие колеса имели мощность до 200 л.с., что было в целом, по уверению изобретателя, совершенно недостаточно. Неудивительно, потому, что первые паровые машины (Ньюкомена и позже Уатта в Англии и Ползунова в России) были применены именно на шахтах.

Развитие водяного колеса и широкое его применение привели к множеству других изобретений. Например, словацкий изобретатель И. Гелл сконструировал водяной двигатель, названный водостолбовой машиной. Впоследствии появились гидроэлектростанции, с помощью которых сегодня вырабатывается существенная доля электроэнергии.

Рассмотрим упругие элементы, которые в техническом отношении не менее перспективны. Наиболее важное место в царстве упругих сил занимают разного рода пружины. Наиболее часто мы встречаемся с ними в различных моделях механических часов. Впрочем, рассмотрим по порядку: откуда что взялось. Основными рабочими характеристиками упругого элемента являются те, которые определяют его способность деформироваться под действием нагрузки. К ним относятся жесткость, чувствительность, упругая характеристика.

Жесткость - способность сопротивляться образованию деформации. При простых деформациях в пределах закона Гука жесткость определяется как произведение модуля упругости на ту или иную геометрическую характеристику.
Материалы для современных упругих элементов должны обеспечивать его рабочие свойства. В соответствии с этим механические характеристики материала - предел упругости, предел текучести, предел прочности - должны быть достаточно высокими.
В технике редко используются чистые металлы, т.е. состоящие из атомов одного сорта (например, железа). Чаще всего берут различные сплавы металлов с металлами (или даже неметаллами). Например, очень важны стали - сплавы железа, углерода (если углерода больше, чем 2 %, то это уже чугун или даже феррит) и др. элементов.

Возьмем ножовку, лезвие или любую стальную пластинку. Немного согнем, а затем отпустим. Она восстанавливает свою форму. Деформации, которые полностью исчезают с исчезновением сил, называются упругими. Если согнуть сильнее, так что деформации после снятия сил не исчезнут, то они называются пластическими. Строго говоря, нет ни полностью упругих, ни вполне пластических деформаций. Упругая деформация за продолжительное время перейдет в пластическую. Если мы увеличим силы и деформацию до такого предела, что появится пластическая деформация, то это означает, что мы достигли предела упругости.

Справедлив закон Гука (1635-1703), который гласит, что в зоне упругости сила и деформация пропорциональны друг другу. Отношение деформирующей силы к площади сечения называется напряжением (оно измеряется в паскалях). Учитывая это, легко понять, что в границах действия закона Гука деформация пропорциональна напряжению. При сжатии и растяжении цилиндрической пружины проволока, из которой она навита, испытывает деформацию, называемую кручением (пружина растягивается, а ее материал не растягивается, как это могло бы показаться, а скручивается). Для стержня угол кручения пропорционален его длине и обратно пропорционален четвертой степени диаметра. В гальванометрах и других точных стрелочных приборах применяют для подвешивания вращающихся частей проволочки диаметром в несколько микрон, благодаря чему такая пружина обладает весьма низким сопротивлением скручиванию и большим углом закрутки. При этом, вся ее деформация при движении стрелки будет происходить в пластической области, или, как говорят, "в области закона Гука". Этим достигается высокая чувствительность к изменению измеряемой величины.

Применение упругой деформации к мирным целям обеспечило мощный рывок в прогрессе человечества. Первобытный изобретатель, внимательно наблюдая происходящее, стремился воспроизвести явления, которые видел. Он знал, что согнутая ветка возвращается в исходное положение. Это явление (упругость) использовалось для создания различных пружинных ловушек. Таким образом был изобретен первый в мире упругий накопитель энергии. Наблюдая за действием метательных орудий - камня, копья - и пружинных ловушек, человек изобрел, наконец, лук и стрелы. Это было большое техническое достижение, требующее длительного накопления знаний и знакомства с целым рядом других изобретений. Итак, изобретение лука позволило людям использовать новую силу - силу упругости. Если действие метательных орудий (копья) основано на инерции, то в луке использованы принципиально отличные силы. Натягивая тетиву, мы накапливаем энергию, которая в момент спуска приводит в движение стрелу. Просто и гениально! Этот принцип положен в основу действия всех последующих мощных метательных машин. Лук изменил само существование человека и сильно облегчил его жизнь.

Железо в корне изменило образ жизни человека. Заметим, что там, где железо превращалось в основной материал для изготовления орудий, как правило, наступали сдвиги в общественных отношениях. На волне изобретений начала (!) железного века появляется токарный станок. Вооружение также стало изготавливаться из железа.

В Греции железо начинает вытеснять бронзу примерно в 1 тыс. до н.э. Архаическая эпоха ознаменовалась быстрым техническим прогрессом и экономическим подъемом. Но как объяснить возникновение науки и философии, которые практически не были востребованы производством?

(Продолжение в следующем номере)