Элен Черски - Физика и жизнь. Законы природы: от кухни до космоса

Вращение – неотъемлемая часть нашей жизни, и тому есть множество подтверждений. Но у одного устройства, принцип действия которого основан на вращении, большое будущее. Я имею в виду маховое колесо, или просто маховик. Все, что вращается, обладает дополнительной энергией, и ее наличие обусловлено именно вращением. Таким образом, если вращающийся объект продолжает вращаться бесконечно долго, это означает, что он может исполнять роль хранилища энергии. Если вы можете ее изъять для той или иной цели, замедлив вращение, то вы, по сути, получаете некое подобие «механической батареи». В этом заключается принцип действия махового колеса. Оно используется на протяжении многих сотен лет, и ничего нового в этом нет. Но в нашу жизнь вскоре может ворваться новая волна маховиков, которые будут представлять собой эффективные современные устройства, способные помочь нам решить одну непростую проблему.

Один из серьезнейших вызовов для любой сети электроснабжения – согласование предложения и спроса на очень коротких отрезках времени. Если все население страны внезапно решит заняться приготовлением еды и одновременно включит электроплиты, то энергопотребление по стране резко возрастет и будет оставаться на этом уровне около часа, а затем столь же резко упадет. В идеале некто, отслеживающий функционирование сети электроснабжения, должен увеличить приток электроэнергии в сеть, когда в этом возникнет необходимость, и согласовать таким образом энергетический спрос и предложение. Но если электроэнергия поступает с угольной теплоэлектростанции, для запуска и остановки которой требуется не один час, возникает серьезная проблема. Более того, величина вырабатываемой электроэнергии и моменты, когда должен обеспечиваться ее дополнительный приток, могут вообще быть нам неподконтрольны. Одна из трудностей со многими возобновляемыми источниками энергии заключается в том, что вы не можете им указывать, когда именно генерировать энергию: легко заготавливать сено (или запасать энергию), когда светит солнце, но как быть, если оно светит не тогда, когда вам это особенно нужно?

Разумеется, вы можете ответить на это так: все, что нам требуется, это батарея, которая будет хранить дополнительную энергию до тех пор, пока она нам не понадобится. Но электрические аккумуляторные батареи не решают данную проблему. Они дороги в изготовлении, для их производства нужны довольно редкие металлы, количество циклов заряда/разряда у них весьма ограниченно, как и скорость запасания и извлечения энергии. Впрочем, в последние годы появились шансы решить эту задачу в связи с разработкой прототипов махового колеса, позволяющих запасать энергию путем преобразования одного ее вида в другой. Маховое колесо представляет собой тяжелый диск или цилиндр, который вращается на подшипниках, обеспечивающих предельно малую силу трения. Будучи приведен во вращение, такое маховое колесо может вращаться очень долго. А поскольку с вращением связана дополнительная энергия, оно может ее запасать. Любую избыточную энергию, появляющуюся в электросети, можно использовать для приведения махового колеса во вращение, и оно будет продолжать вращаться, используя эту избыточную энергию. Затем, когда она вам понадобится, вы будете замедлять вращение махового колеса, отбирая накопленную в нем энергию и преобразуя в электричество. Количество таких циклов «заряда/разряда» у махового колеса не ограничено, а высвобождение накопленной в нем энергии происходит очень быстро. Вы теряете всего около 10 % энергии, которая нужна для приведения махового колеса во вращение. К тому же для его поддержания в рабочем состоянии требуется лишь минимальное техобслуживание. Более того, вы можете приспособить маховое колесо для собственных нужд: небольшое колесо, которое работало бы в сочетании с солнечными панелями у вас на крыше, или группа больших маховиков для сглаживания резких перепадов напряжения в сети электроснабжения в целом. Проводятся испытания небольших мобильных маховиков для использования в транспортных средствах гибридного типа, например в автобусах. Запасание энергии в таких маховиках происходит при каждом очередном торможении автобуса, а возвращение – при развитии скорости. Привлекательность маховых колес заключается в том, что принцип их действия основан на гениально простой идее – преобразовании вращательного момента. Куриные яйца, волчки и чай, помешиваемый в чашке ложечкой, – все подчиняется одному и тому же принципу. Но чтобы этот простой физический принцип позволял решить сложные практические задачи, требуются эффективные современные технологии. Их новое воплощение сейчас пребывает лишь на начальном этапе развития, но вполне возможно, читатели этой книги станут свидетелями гораздо более широкого применения вращающихся маховиков в повседневной жизни.

Сумка, которая самостоятельно наводит порядок внутри себя, – звучит как несбыточная мечта, но тем не менее она может оказаться реальностью. В прошлом году я посетила лондонский Музей науки, где намеревалась купить несколько симпатичных сферических магнитов (для себя и одной из своих подруг; сувенир с научным подтекстом – лучший подарок, не так ли?). Я остановилась выпить чашку горячего шоколада, а заодно и полюбоваться новыми приобретениями, а затем положила слипшиеся между собой магниты в верхний карман дорожной сумки и отправилась домой. Двумя днями позже, в Корнуолле, я вспомнила, что давненько не любовалась «новыми игрушками», и принялась копаться у себя в дорожной сумке. Я обнаружила их на дне сумки, причем слегка потолстевшими за счет семи монет, двух скрепок для бумаг и металлической кнопки. Я уже поздравляла себя с тем, что мне удалось изобрести новый способ навести порядок в сумке, как вдруг заметила, что далеко не все монеты, валявшиеся на дне сумки, притянулись к магнитам. Я попыталась разобраться, в чем разница между монетами, которые притянулись к магнитам и которые не реагировали на них. Ответить на этот вопрос оказалось не так-то просто. Некоторые из десятипенсовиков притянулись к магнитам, тогда как другие не желали этого делать. Монеты достоинством выше 20 пенсов вообще не притягивались. Большинство одно- и двухпенсовиков притягивались; исключение составляли лишь выпущенные до 1992 года.

Вообще говоря, магниты ведут себя очень избирательно. Большинство материалов – пластмассы, керамические изделия, вода, дерево и живые существа – ими не притягиваются. Другое дело – железо, никель или кобальт. Изделия из этих материалов охотно тянутся к магнитам. Это может показаться странным, но если бы железо не было одним из самых распространенных материалов в мире, то мы, наверное, никогда не столкнулись бы с магнетизмом в повседневной жизни. Лишь на один этот элемент приходится 35 % массы Земли, а сталь (состоящая в основном из железа с добавлением некоторых примесей) составляет существенную часть современной инфраструктуры. Если бы дверцы холодильников не изготавливались с применением стали, то симпатичные магниты, которыми многие домохозяйки украшают их, было бы невозможно прикрепить. Но изделия из стали встречаются буквально повсюду, поэтому магнетизм знаком большинству из нас.