Источники энергии - история и современность (стр. 2 из 9)
Итак, обзор начинается с огня, которым пользовались наши далёкие предки, и заканчивается описанием установок управляемого термоядерного синтеза, которыми будут пользоваться наши потомки.
1. Источники энергии древнего мира
1.1 Огонь и способы его добывания
Люди рано открыли полезные свойства огня - его способность освещать и согревать, изменять к лучшему растительную и животную пищу. Неизвестно, кто и когда сумел преодолеть животный страх перед огнём и принёс его в своё жилище.
Первым источником огня для человека был "дикий огонь", возникавший от удара молнии или лавы вулкана.
С того момента, как человек научился пользоваться огнём, он стал основой его хозяйства и постоянным спутником. В древние времена огонь был незаменимым источником тепла, света, средством для приготовления пищи, орудием охоты.
Однако и дальнейшие завоевания культуры и технологии (керамика, металлургия, сталеварение, тепловые двигатели и т.п.) обязаны комплексному использованию огня и изучению его свойств.
Долгие тысячелетия человек поддерживал огонь в своём жилище, так как он ещё не умел его добывать.
Открытие способов добывания огня произошло не сразу, а в ходе наблюдений многих поколений. Возможно, что открытие этих способов произошло, как это часто бывает, случайно.
Одной из таких случайностей была сверловка древесины. Древний человек пользовался либо каменными (кремневыми) свёрлами, либо свёрлами из более твёрдых пород дерева. Во время этой операции происходило нагревание древесины и в благоприятных условиях могло произойти воспламенение. Обратив на это внимание, люди стали широко пользоваться трением для добывания огня. Простейший способ состоял в том, что брались две палочки, в одной из которых делали лунку. Эта палочка помещали на землю и прижимали. Вторую вставляли в лунку и начинали быстро вращать, в то же время с силой давя на палочку. Процесс этот был достаточно долог и утомителен, поэтому человек пытался его ускорить: использовал смолистую древесину, добавлял в лунку легкозагорающиеся материалы (сухую траву), использовал лук для вращения.
Человек и сейчас так или иначе использует трение для добывания огня (спички и пр).
Другим способом было добывание огня с помощью искры. Возможно, человек придумал этот способ, когда, бродя в темноте, он случайно зацепился за камни, лежащие у него под ногами, те ударились, высекли искру, а та попала в сухую траву или листья. Этот способ требовал от человека терпения и удачливости, так как искру можно было либо высечь сразу, либо её могло не быть совсем. Для большей успешности этого способа человек также применял различные усовершенствования: выбирал, согласуясь со своим опытом, только определённые камни, покрывал их серой.
Объединение этих двух способов нашло применение в кремневых зажигалках.
Давайте попробуем определить, какую энергию тратил человек при добывании огня с помощью трения.
Из второго закона Ньютона:
Fтр = k (mg + F),
где k - коэффициент трения, F- сила, с которой давит человек.
Пусть А = Q, тогда А = cm’ (tвоспл. - t0), где с - теплоёмкость дерева, m’ - масса нагревающейся части.
В свою очередь, А = 3,14RNFтр, где R- радиус вращаемой части, N- число оборотов.
Тогда 3,14RNk (mg + F) = cm’ (tвоспл. - t0). В данном уравнении все величины могут быть определены, кроме N. Подставляя известные величины, можно определить это число оборотов, и, хотя бы приблизительно, предположить, сколько времени приходилось тратить человеку при добывании огня этим способом.
1.2 Применение энергии волокон, дерева, сухожилий (лук, метательные машины античности)
Лук был одним из первых изобретений человека разумного. Это оружие создано так давно, что не известна дата изобретения и имя изобретателя. Возможно, идея изобретения возникла при сгибании упругих веток деревьев, но следует отметить, что лук не был изобретением одного человека, а, скорее всего, являлся результатом наблюдений нескольких поколений.
Лук позволял преобразовать потенциальную энергию тетивы в кинетическую энергию стрелы таким образом, что стрела, выпущенная из лука, летела намного дальше, чем стрела, брошенная рукой человека (вообще, стрела появилась раньше лука и применялась как метательное оружие).
Луку было найдено и другое применение. Есть свидетельства, что с его помощью приводился примитивный сверлильный механизм древнего человека; имеется изображение Древнеегипетского токарного станка, в котором обрабатываемая деталь приводилась во вращение посредством лука.
Метательные качества лука зависели от свойств тетивы и самого лука (упругости и прочности). Чем лучше были выше эти свойства, тем лучше был лук. В более позднем времени стали появляться так называемые сложные луки, которые усиливались различными накладками из кости или рога.
Метательных машин античности, использовавших силу упругости волокон, сухожилий и дерева, было создано достаточно много, но ни одно из них не сохранилось в целости и сохранности. Эти машины подразделялись на две разновидности: для метания стрел "прямой наводкой", выглядевшие как луки, снабжённые механизмами для натягивания и спуска тетивы. К ним относились всевозможные конструкции станковых арбалетов и баллист (греч. "балло" - бросаю). Второй разновидностью были машины, метавшие снаряды по навесной траектории - катапульты и камнемёты.
Особого развития метательные машины, а особенно станковые арбалеты, достигли в Древнем Китае. С помощью этого оружия китайцы оборонялись от кочевников и сумели сдержать первый натиск монгольских завоевателей. Именно из этого оружия метались первые начинённые порохом снаряды.
Есть свидетельства, что к созданию первых в истории метательных машин приложил руку сам Архимед.
На рисунках представлена зависимость дальности и высоты полёта стрелы от её массы, упругости тетивы и лука (сопротивление воздуха в этом случае мало и поэтому не учитывается).
1.3 Водяное колесо
В истории человечества водяные двигатели всегда играли особую роль. На протяжении многих веков водяные машины были главным источником энергии на производстве. Затем развитие тепловых (а позже - электрических) двигателей сильно сузило сферу их применения. Однако везде, где имелись дешёвые гидроресурсы (ручей с быстрым течением, водопад или порожистая река), водяной двигатель мог оказаться предпочтительнее всех других, поскольку был очень прост по своей конструкции, не требовал топлива и имел сравнительно высокий КПД. После того как в первой половине XIX века была изобретена водяная турбина с очень высоким КПД, гидроэнергетика пережила как бы второе рождение. С началом электрификации по всему миру развернулось строительство ГЭС, на которых электрогенераторы получали свой привод от гидротурбин различных конструкций. Об электрогенераторах и гидротурбинах рассказ будет чуть позже, а сейчас будет рассказ о водяном колесе.
Первые водяные колёса появились ещё в древности. По конструкции они делились на два основных вида (см. ниже): нижнебойные (подливные) и верхнебойные (наливные). Нижнебойные водяные колёса были наиболее простым типом водяного двигателя. Они не требовали для себя строительства сложных гидротехнических сооружений, но в то же время имели самый низкий КПД, так как их работа основывалась на достаточно невыгодном принципе: подтекающая под колесо вода ударяла в лопатки, заставляя их вращаться. Работа верхнебойных колёс основывалась на использовании веса падающей воды.
КПД верхнебойного водяного колеса достигал 75%, который был самым высоким из всех созданных тогда двигателей. Этот своеобразный рекорд был побит с появлением гидротурбин различных конструкций.
КПД среднебойного колеса равнялся 65%, нижнебойного - ещё меньше.
Несмотря на относительно высокий КПД, водяные колёса были маломощными двигателями. Обычно их мощность равнялась 5 - 6 лс. Для получения больших мощностей строились колёса огромных размеров, что было связано с новыми трудностями: такая "махина" была тяжела, громоздка, её было трудно запустить.
Нижнебойное и верхнебойное водяные колёса отличались по свойствам: при равной мощности первое имело большую скорость вращения, чем второе.
С появлением такой тепловой машины, как машина Уатта, водяные двигатели стали забываться. Второе возрождение водяного двигателя, но уже в другом виде, началось с изобретением в 1750 году венгром Сегнером, работавшем в Геттингенском университете совершенно нового типа водяного двигателя.
На рисунке слева представлено верхнебойное водяное колесо, справа - нижнебойное.
1.4 Паровая турбина Герона - любопытная игрушка Древнего мира
Изобретение греческого механика и учёного Герона Александрийского (II век до нашей эры). Ёе работа основана на принципе реактивного движения: пар из котла поступал по трубке в шар, укреплённый на горизонтальной оси; вытекая затем из коленчато-изогнутых трубок, пар толкал эти трубки в обратном направлении, и шар начинал вращаться.