Страница 23 из 37
Дело здесь в применении маховика, который, разогнавшись, за счет накопленной энергии помогал преодолевать подъемы и, кроме того, снижал скорость «самокатки» на спусках. Водитель, вращая педали, раскручивал маховик, расположенный под сиденьем, а уже от маховика движение посредством механической передачи шло на колеса.
Маховик – не единственный накопитель энергии, использованный Кулибиным в «самокатке». Он применил тут в качестве тормоза специальные пружины, могущие накапливать энергию экипажа при торможении. Пружины помещались в тормозном барабане, играющем одновременно и роль коробки передач. Можно только удивляться гению Кулибина, почти на полтора столетия опередившего техническую мысль своего времени.
В Политехническом музее в Москве демонстрируется прекрасная действующая модель «самокатки» Кулибина в масштабе 1:5. Измерениями на модели я определил диаметр маховика в полную величину – он был около 1,5 метра, масса обода – 50 килограммов.
Считается, что человек, спокойно работая ногами, способен развить мощность около одной десятой лошадиной силы. Учитывая потери энергии маховика на трение о воздух и в подшипниках, я получил максимальную скорость, до которой может быть разогнан такой маховик, – 500 оборотов в минуту. Это очень низкая скорость для маховиков, но и при этом маховик Кулибина мог накопить около 800 джоулей энергии на килограмм массы, а всего – около 40 килоджоулей. Полагая, что масса экипажа была примерно 400 килограммов и соответственно сила сопротивления его движению по дороге – около 0,1 килоньютона, я определил путь, который могла пройти «самокатка» только на энергии маховика, – он оказался равен 400 метрам. Для преодоления встретившегося подъема «самокатке» достаточно было энергии самого маховика. А ведь при этом человек тоже не переставал работать педалями. Поэтому и казалось, что «самокатка» в гору шла быстрее, чем по равнине.
«Самокатка» Кулибина – прекрасный пример удачного использования маховика на транспорте, даже соотношение масс маховика и экипажа словно взято из современных книг!
Следующим применил маховик на транспорте другой наш соотечественник, инженер-поручик З. Шуберский.
В июле 1862 года в газете «Современная летопись» появилась такая заметка: «Два года назад в «Журнале путей сообщения» было заявлено об остроумном изобретении г-на Шуберского. Маховоз господина Шуберского, состоящий из системы маховых колес, предполагается к употреблению при всходе и спуске поездов по крутым скатам железных дорог. Умеряя быстроту движения при спуске с горы и употребляя сбереженную скорость при подъеме в гору, снаряд г-на Шуберского дает возможность проводить железные дороги со значительными склонами, уменьшая количество земляных работ и искусственных сооружений. Опыты над моделью маховоза оказались удовлетворительными, и изобретатель намеревается приступить к опытам в большом виде».
Я разыскал этот журнал и обнаружил подробное описание, расчеты и чертежи первого рельсового маховичного экипажа.
Три пары огромных железных маховиков посажены своими осями на ободы ведущих колес маховоза. Таким образом, вращение передается от ведущих колес на оси маховиков при спуске и, напротив, от осей маховиков ведущим колесам на подъеме только силой трения. Это самый простой и в данном случае наиболее подходящий способ передачи механического движения при высокой мощности и минимальных потерях энергии в опорах и на приводе. Кроме того, оси маховиков помещены в подшипниках и могут быть приподняты в случае торможения маховоза, чтобы не гасить при этом энергию маховиков. Последние в это время будут вращаться вхолостую.
Маховоз предполагалось цеплять позади паровоза, перед вагонами. Предусматривалось также снабдить маховиками паровоз и тендер. Размеры и масса маховиков весьма внушительны: каждый маховик диаметром 12 футов (3,6 м) и около 300 пудов (5 тонн) массой. Сам маховоз имеет массу 2330 пудов (40 тонн). Окружная скорость обода маховика связана со скоростью поезда и превышает ее в 12 раз. Кинетическая энергия, накапливаемая маховиками при этом, – около 2,3 миллиона пудо-футов (114 МДж).
Набирая кинетическую энергию на спусках или на ровном пути посредством «подталкивания» паровозом, маховоз должен был помогать поезду преодолевать крутые подъемы. Допустим, сам паровоз может преодолеть уклон только в 5 тысячных (подъем на 5 метров за 1 километр пути), а с маховозом он взойдет по подъему, в три раза более крутому, на высоту 135 футов (40 м), из которых 2/3 подъема будут преодолены за счет энергии маховоза и лишь 1/3 самим паровозом.
Шуберский предлагал использовать свое изобретение и для поездок «малыми поездами» на небольшие расстояния. Например, если прицепить к маховозу один пассажирский вагон массой 625 пудов (10 тонн), то этот поезд при разгоне его паровозом до скорости 28 верст в час (30 км/ч) на участке в 2 версты (2,1 км) пройдет за счет энергии маховиков внушительное расстояние – 55 верст (60 км) до остановки.
Если не доводить поезд до полной остановки и использовать, скажем, 75 процентов всей кинетической энергии, пробег сократится до 40 верст (43 км). Если же удвоить скорость поезда, то есть довести ее до 60 километров в час, вполне нормальной и даже низкой скорости для поездов, то пробег учетверится и составит уже 170 километров. Это весьма неплохо для поезда, движущегося за счет аккумулированной энергии!
Тщательный расчет, проведенный Шуберским, показал, что расход топлива с применением маховоза может быть снижен не менее чем на 25 процентов. Цифра, удивительно близкая к современным данным по маховичным рельсовым машинам, например, к такому же показателю у поезда с маховиками в нью-йоркском метро.
Свое описание маховоза Шуберский заканчивает словами, полными патриотизма: «Вполне я был бы счастлив, если бы мое изобретение обратило бы на себя внимание и могло послужить в пользу скорейшего развития отечественных железных дорог».
Потом маховиком заинтересовался американец Дж. Хауэлл. Правда, машину, на которую он его поставил, лишь условно можно назвать транспортом, так как это была торпеда, доставляющая взрывчатку к атакуемому кораблю. Маховик торпеды Хауэлла, разработанный в 1883 году, раскручивался паровой машиной за 1 минуту, после чего торпеда проходила около 1,5 километра с достаточно высокой скоростью – 55 километров в час. Маховик имел диаметр 45 сантиметров, массу 160 килограммов, скорость вращения его достигала 21 тысячи оборотов в минуту. Накопленная в маховике энергия составляла 10 мегаджоулей. Вращение от маховика с помощью конических шестерен передавалось на гребной винт с регулируемым углом наклона лопастей.
Если отвлечься от военного назначения торпеды, думаю, что в «мирном» варианте это была бы неплохая прогулочная быстроходная лодка без мотора, горючего, дыма и треска. Ее с успехом можно было бы использовать в черте города, на переправах, в местах отдыха людей. А раскручивать маховик не обязательно паровой машиной – с этим еще лучше справился бы электромотор.
В 1905 году англичанину Ф. Ланчестеру был выдан патент на изобретение, имеющее отношение к «...применению для механического движения мотора в форме тяжелого, быстровращающегося маховика, с целью приведения в движение моторного экипажа». Колеса экипажа Ланчестера соединялись приводом с маховиком или даже с системой из двух маховиков, вращающихся в противоположные стороны. Раскручивали маховики на остановках, где для этого были установлены стационарные двигатели. Ланчестер предусмотрел также разгон маховиков с помощью встроенного электродвигателя, который подключался на остановках к электрической сети.