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

В северной части Англии регулярная смена времен года задает ритм, вызывающий у меня самые приятные воспоминания. Долгие прогулки в жаркие летние дни вдоль Бриджуотерского канала, хоккейные матчи в сырые и промозглые осенние дни, возвращение домой на рождественские каникулы в морозные зимние дни, улучшение настроения оттого, что весной дольше светит солнце, – разнообразие и смена впечатлений всегда были для меня источником радости. Когда я жила в Калифорнии, мне труднее всего было смириться с отсутствием ритма в природе: создавалось впечатление, что время здесь застыло навсегда. Это сбивало меня с толку и приводило в замешательство. Сейчас я по-прежнему остро чувствую смену времен года. Мне нравится отождествлять свое место в каждом очередном цикле смены времен года по каким-то особым приметам, как ни странно, сохранившимся даже в современном мире: животные, свежий воздух, растения и чистое небо. А основа этого разнообразия и регулярной смены времен года – фундаментальные физические законы, один из которых гласит, что объекты продолжают вращение до тех пор, пока какая-либо внешняя сила не остановит их.

У вращения есть направление, задаваемое осью, вокруг которой оно происходит. Воображаемая ось вращения Земли представляет собой прямую линию, проходящую от Южного к Северному полюсу, немного выступающую с той и другой стороны и указывающую куда-то в космическое пространство. Но поскольку наша Земля давным-давно была ушиблена громадным космическим обломком, бороздившим просторы Солнечной системы (кстати, в результате этого столкновения образовалась Луна), то ось космического волчка, которым, по сути, и есть наша планета, изменила свое направление. Представьте, что вы смотрите на Солнечную систему сверху вниз, причем Солнце находится посередине, а все планеты Солнечной системы вращаются вокруг него в одной плоскости. Ось Земли слегка наклонена влево. И теперь, поскольку Земля вращается вокруг этой слегка наклоненной оси, она в процессе движения вокруг Солнца должна продолжать вращаться вокруг той же оси, а ось – сохранять свое направление. Таким образом, когда Земля расположена, скажем, слева от Солнца, конец этой оси, выступающий из Северного полюса, указывает в сторону от Солнца, куда-то в космос. Но через шесть месяцев, когда Земля окажется по правую сторону от Солнца, конец оси, выступающий из Северного полюса, будет по-прежнему указывать влево – на сей раз в направлении Солнца. Ось вращения Земли вокруг собственной оси не изменяет направления по мере вращения Земли вокруг Солнца: на нее не воздействуют никакие внешние силы, поэтому она не меняет ориентации в пространстве. Но это означает, что Северный полюс получает больше или меньше солнечного света в зависимости от того, в каком месте своей орбиты находится Земля. Эта особенность вращения Земли вокруг Солнца и является причиной смены времен года[69]. Суточный цикл (регулярная смена дня и ночи) обусловлен вращением Земли вокруг собственной оси, а сезонный цикл (регулярная смена времен года) – наклоном земной оси[70].

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.