Расход топлива… от 5,5 до 8,4 л/100 км
Можно ли, сидя за столом и не прибегая к расчетам, определить прочность моста, увидеть, как воздух обтекает крыло самолета, узнать, сможет ли спутник пройти, не сгорев, сквозь плотные слои атмосферы?
Да, можно, для этого нужно лишь использовать аналогию между электрическим полем в проводнике, механическими напряжениями в теле, потоками тепла, жидкости или газа — давно ведь доказано, что силовые линии электрического поля в проводнике распределяются так же, как силы, действующие на тело точно такой же формы, тепло или обтекающие его потоки жидкости.
Как же это все проделать?
Укрепите кнопками на чертежной доске кусочек фильтровальной бумаги. Смочите ее соленой водой с добавлением фенолфталеина или даже соком одуванчика. После этого еще двумя кнопками подключите к ней постоянное напряжение в 3 вольта (рис. 1). Очень скоро вы увидите радужную картину, в которой без труда улавливается намек на силовые линии электрического поля.
Чтобы получить более точную картину, вам понадобится кусок черной бумаги для упаковки фотоматериалов. Такую бумагу делают с применением сажи, и потому она проводит электрический ток. Закрепите листок бумаги на доске, еще двумя кнопками подключите постоянное напряжение и подсоедините к одной из них щуп вольтметра. Прощупывая другим щупом поверхность бумаги, вы в любой точке обнаружите напряжение. Со временем можно убедиться, что при удалении от полюса источника тока напряжение растет. Но если двигаться поперек линии, соединяющей полюса, то можно встретить точки с одинаковым потенциалом. Попробуйте, например, найти серию точек с потенциалом 1В и отметить их положение мелом. Если соединить их линией, то получится линия равного потенциала. Таких линий, но уже с другими потенциалами, на бумаге можно обнаружить и провести сколько угодно.
Известно, что силовые линии к ним всегда перпендикулярны. Исходя из этого, мы теперь можем на нашем листе бумаги провести силовые линии. Они будут напоминать линии электрического поля двух точечных зарядов.
Теперь попробуем получить представление о распределении в каком-либо теле, например в железнодорожном рельсе, механических напряжений под давлением на него вагонного колеса.
Вырежьте кусок бумаги, напоминающий по форме поперечное сечение рельса. Зона соприкосновения колеса с рельсом имеет небольшую протяженность в самой верхней его части. Здесь воткните две кнопки и подложите под них небольшой кусочек оголенного провода. Давление колеса через рельс полностью передается его опорной части. Здесь при помощи кнопок закрепите оголенный провод по всей длине. Важно, чтобы он надежно соприкасался с бумагой. После этого можно подключать напряжение и, как в предыдущем случае, искать линии равного потенциала, а затем мелом, а лучше белым карандашом перпендикулярно им проводить силовые линии. По их густоте можно получить представление о степени нагрузки на отдельные участки сечения рельса. На основе более глубокой теории, которая определенным образом сопоставляет проводимость бумаги и прочность металла, а также точно измеряя потенциалы, из этой картины можно получить точные значения сил, действующих в поперечном сечении рельса.
Демонстрации с рисованием линии электрического поля удобно проводить на большом листе черной бумаги, укрепленном на классной доске. В этом случае из-за большого сопротивления бумаги приходится применять вольтметры с высоким входным сопротивлением или цифровые авометры.
В последнее время выпуск бумаги для упаковки фотоматериалов резко сокращен. Но ее можно заменить обычным ватманом, закрашенным тушью. Для того чтобы избежать коробления бумаги при сушке, ее следует перед покраской смочить и закрепить кнопками на листе толстой фанеры. Примерно через 30 минут, после легкого просыхания, закрасьте бумагу черной тушью при помощи губки. (Работу лучше производить на улице.) Через час-другой, а на солнце и раньше, тушь высохнет, бумага натянется и останется ровной. С полученной таким путем электропроводной бумагой можно проводить самые разнообразные опыты.
Некоторые из них могут поставить в тупик. Вырежьте из электропроводной бумаги два подобных, по разных по размерам треугольника и измерьте их сопротивление. Для этого к их соответственным сторонам следует приложить электроды, подключенные к омметру.
Как утверждается в одной из старинных работ, электрические сопротивления подобных треугольников должны быть одинаковы. Здесь напрашивается аналогия с некоторыми вариантами неевклидовой геометрии, где все подобные фигуры, как это ни странно, оказываются равны по площади.
Опыты с распределением силовых линии в проводниках можно проводить не только на электропроводной бумаге, но и на упаковочной фольге, которая для многих будет более доступна, чем электропроводная бумага. В этом случае из-за гораздо более низкого удельного сопротивления металла падение напряжения будет значительно ниже, но цифровой вольтметр с диапазоном 100 мВ это напряжение способен отметить.
Представляют интерес и силовые линии переменного электрического поля. При высоких частотах (несколько килогерц) начинают сказываться эффекты, связанные с индуктивностью и емкостью проводника. Поле в нем сильно отличается от поля постоянного напряжения.
Используя фольгу и звуковой генератор, можно получить картину линий равного потенциала для переменного напряжения. Перпендикулярно к ним, точно так, как мы это делали в предыдущем случае, проведем силовые линии. Измерение потенциалов также можно производить обычным цифровым авометром.
С фольгой можно провести любопытный опыт. Вырежьте из фольги прямоугольную букву «О» и попробуйте ее пережечь разрядом конденсаторной батареи на 100 мкФ при напряжении 220 В. Для безопасности опыта соберите цепь с применением школьного переключателя (рис. 2), работу ведите в присутствии учителя.
Если конденсаторную батарею присоединить к средней части буквы «О», как показано на рисунке, то окажется, что в углах образуются овальные щели, направленные по диагоналям. Их происхождение можно объяснить тем, что часть энергии электрического импульса разряда частично проходит по воздуху в форме радиоволны и лишь по углам входит в металл, нагревая и расплавляя его.
А. ВАРГИН
Тепловой двигатель — это, казалось бы, нечто очень горячее. И в самом деле, в двигателе внутреннего сгорания при малейшем нарушении в работе системы охлаждения плавятся поршни. А турбина электростанции работает от водяного пара, температура которого столь высока, что подводящие трубы светятся…
Тем не менее существуют двигатели, способные работать от тепла… руки. Но это как говорится, — высший пилотаж. Для начала построим двигатель, работающий от свечки.
Создал этот двигатель японский мастер-любитель из технической школы профессора Коиши Хирата. В отличие от многих изобретателей и ученых, хранящих в тайне малейшее достижение, профессор Хирата ничего не скрывает. По его чертежам подобные двигатели сможет сделать любой из вас.
Но обо всем по порядку. Речь пойдет о двигателях, которые работают за счет расширения нагретого воздуха. Первый такой двигатель изобрел в 1816 году — не удивляйтесь — шотландский министр по делам религии Роберт Стирлинг.
Первый двигатель Стирлинга работал на каменном угле и был весьма сложен. Но сама идея вдохновила множество изобретателей, и к концу столетия развернулось массовое производство воздушных тепловых двигателей. В небольших мастерских их топили углем, дровами, соломой и даже мусором. Некоторые из них проработали без ремонта полвека и стали ценнейшей музейной редкостью.
Сегодня подобные двигатели в мастерских не встретим, их заменили электромоторы. Но двигатели Стирлинга не забыты. На их возрождение в США и в Европе истрачены сотни миллионов долларов. В современных стирлингах воздух заменили сжатым водородом и получили мощные легкие машины. Их успешно ставят на подводные лодки, автомобили, локомотивы и солнечные электростанции. Со временем мы об этом расскажем подробнее, а сейчас вернемся к работам профессора Хирата. Это очень крупный специалист по стирлингам. В сферу его интересов входят двигатели для судов, автомобилей и даже самолетов.
Двигатель Стирлинга по конструкции прост, но понимание принципа его работы дается людям нелегко. Поэтому профессор уделяет немало времени разработке простейших стирлингов, которые можно сделать за один день и, почувствовав прелесть их работы, решиться на какие-то более серьезные шаги. Вот одна из конструкций.
Возьмите жестяную баночку диаметром примерно 50 мм и укрепите на ней нитками или резиновым кольцом кусочек резины от воздушного шарика (рис. 1). После этого нагрейте дно баночки на свечке. Резинка раздуется (рис. 2). Это значит, что произошел переход тепла в работу растяжения резины. Подуйте на баночку, и увидите, что резинка втянется (рис. 3).
Убедимся, что воздух расширяется и сжимается.
Как видите, при нагревании и охлаждении баночки происходит переход тепла в работу. Но превращать баночку в двигатель не стоит: у вас в руках очень несовершенная машина. Прежде всего, она недолговечна, поскольку резиновая пленка соприкасается с горячим воздухом и от этого быстро разрушается. Да и КПД получится очень мал. Ведь почти все тепло, потраченное на нагревание воздуха, теряется при его охлаждении. Профессор Хирата оба недостатка устраняет с помощью одного и того же приема, придуманного еще Робертом Стирлингом — введением вытеснителя.
Взгляните на рисунок 4. Вытеснитель — это деревянный цилиндр, с небольшим зазором вставленный в баночку. Он привязан на леске, а леска пропущена через крохотное отверстие в резиновой пленке.
Начнем с того момента, когда в баночке воздух холодный, а вытеснитель лежит на ее дне. Если зажечь свечу, то воздух почти не нагреется. Но вот мы потянули за леску, подняли вытеснитель (рис. 5а), и резинка раздулась. Это произошло потому, что у дна воздух нагрелся и его давление, по закону Паскаля, передалось холодному воздуху.
Обратите внимание, резинка раздулась от давления холодного воздуха и, значит, сможет долго работать, не разрушаясь.
Применение вытеснителя полезно и по другой причине. Согласно законам термодинамики, чем выше температура рабочего тела (воздуха), тем выше КПД. Ради этого мы можем поднимать температуру неограниченно, лишь бы выдержали стенки.
Если вытеснитель опустить, то поступление тепла через дно прекратится и оно станет уходить через стенки (рис. 5б). Воздух остынет, и пленка снова втянется в баночку. Таким образом вытеснитель выполняет роль переключателя потоков тепла. Имея такое устройство, профессор Хирата переходит к размышлениям о конструкции двигателя.
Действие вытеснителя.
Представьте себе согнутый из проволоки кривошип, который автоматически поднимает и опускает вытеснитель (рис. 6, 7, 8).
Кривошип перемещает вытеснитель.
Добавим к нему согнутый из той же проволоки второй кривошип, расположенный под углом 90° к первому, а на него наденем шатун — деревянную палочку такой длины, чтоб она постоянно соприкасалась с резиновой пленкой (рис. 9).
Такой кривошипно-шатунный механизм сможет управлять перемещением вытеснителя и снимать с раздувающейся пленки полезную мощность. Правда, у него есть мертвые точки, в которых он способен застрять. Но стоит надеть на его вал маховик (рис. 10) или хотя бы добавить небольшую массу на стержне (рис. 11), и двигатель сможет работать самостоятельно до тех пор, пока горит свеча.
Теперь поговорим о конкретном исполнении простейшего стирлинга. Он состоит из той самой баночки, с которой мы проводили опыты. Ее необходимо закрепить на деревянной станине и добавить проволочный кривошипный вал, деревянный шатун и маховик. Размеры на прилагаемых рабочих чертежах даны применительно к баночке диаметром 50 мм. Если же такой не найдется, поэкспериментировав, вы можете самостоятельно их изменить.
О. НИКОЛЬСКИЙ
Коленчатый вал.
Крепление шатунов к резиновой пленке.
Двигатель в сборе.