Нурбей Гулиа - Физика: Парадоксальная механика в вопросах и ответах
5.3. Вопрос. Можно ли отапливать помещение... ветром?
Ответ. Можно получать энергию от ветроэлектростанций, которых так много в Америке и Европе, и отапливать помещение этой электроэнергией. Однако есть способ, позволяющий обойтись без электрической части ветроустановки.
Если в устройстве имеется вертикальный вал, а он почти всегда присутствует на ветряках средней мощности, то с его нижней частью можно без всякой механической передачи непосредственно соединить мешалку Джоуля, хорошо известную из школьного курса физики (рис. 26). Эта мешалка переводит механическую энергию в тепловую.
Рис. 26. Мешалка Джоуля.
Схема такого ветряка с мешалкой Джоуля представлена на рис. 27. Нижняя часть вертикального вала ветряка соединена непосредственно с валом мешалки Джоуля, изготовленной, например, из обычной 200-литровой бочки. При вращении ветроколеса вода в мешалке, перемешиваемая лопастями, нагревается совсем как в опытах Джоуля. Горячая вода по патрубкам может направляться в батареи отопления или для других целей.
Рис. 27. Схема ветряка, вал которого непосредственно связан с мешалкой Джоуля.
5.4. Вопрос. Говорят, что первый вертолет придумал Леонардо да Винчи и что построенная по его эскизам машина летала. Могло ли такое быть?
Ответ. Интересно, что в игрушки типа летающего пропеллера, которыми забавляются дети сейчас, играли и дети в Средневековье. Установлено, что такие игрушки известны аж с 1320 года [13] .
Первый же эскиз большого вертолета создан Леонардо да Винчи (1452–1519). Этот эскиз представлен на рис. 28. Эскиз подписан самим автором – справа налево, и не следует думать, что это «зеркально» перевернутый рисунок. Он был левшой и часто писал таким образом.
Рис. 28. Эскиз вертолета Леонардо да Винчи, подписанный автором.
Вот что сам Леонардо пишет об этой конструкции: «Остов винта должно сделать из железной проволоки, толщиной в веревку; расстояние же от окружности до центра – 25 локтей. Если все будет сделано как следует, то есть из прочной парусины, поры в которой тщательно замазаны крахмалом, то я думаю, что при вращении с известной скоростью такой винт опишет в воздухе спираль и поднимется вверх».
Не так давно распространилось сообщение, что в США на авиазаводе в Сан-Диего по эскизам Леонардо был построен летательный аппарат, который якобы поднялся в воздух, даже с грузом.
Автор утверждает, что этого быть не могло. Или вертолет построен не по чертежам Леонардо, и работала эта машина не по заложенному им принципу, или она никогда не поднималась в воздух.
Если внимательно взглянуть на эскиз Леонардо, то в нижней части машины можно увидеть круглую платформу. По ней должны были бегать люди, вращающие кабестан, к которому крепился воздушный винт. Об этом говорится и в описании принципа работы летательного аппарата. Да и других двигателей, кроме мускульного, в то время просто не было.
Так вот, даже если не говорить о том, что ничтожной мощности этих бегающих людей не хватило бы на отрыв машины от земли, другой эффект уж точно помешал бы это сделать.
Вал винта не мог быть жестко скреплен с платформой – люди, отталкиваясь от платформы, вращали воздушный винт. Значит платформа подвешивалась на валу воздушного винта с возможностью свободного вращения, т. е. на подшипниках. Но тогда в аппарате вращаться стала бы в первую очередь сама платформа, от которой отталкивались ногами люди, а не воздушный винт, испытывающий большое сопротивление вращению – ведь именно винт должен был, «ввинчиваясь» в воздух, поднимать вертолет. А вращению самой платформы ничто не препятствовало.
5.5. Вопрос. Почему вертолет летит намного медленнее самолета?
Ответ. Вертолет поддерживается в воздухе главным образом своим несущим винтом. Для простоты будем говорить только о вертолете с одним несущим винтом, хотя, как известно, бывают и летательные аппараты с двумя винтами, вращающимися в противоположные стороны.
Почему же вертолеты не летают так же быстро, как самолеты? Оказывается, мешает этому именно несущий винт. Когда вертолет летит, а винт вращается (рис. 29), то на одну лопасть винта, которая движется в сторону полета машины, приходится набегающий поток воздуха, по скорости равный сумме скоростей вертолета ?и окружной скорости лопасти ?R. На другую лопасть винта, которая движется в противоположную сторону, приходится набегающий поток, скорость которого равна разности окружной скорости лопасти и скорости полета вертолета. Поэтому, по теории движущегося крыла, первая часть винта будет обладать подъемной силой больше второй, и вертолет будет крениться.
Рис. 29. Скорости движения лопастей винта летящего вертолета.
Чтобы этого не происходило, а также и для других целей несущий винт вертолета содержит сложный механизм, называемый «автомат-перекос». Он в течение одного оборота лопасти винта дважды изменяет угол ее наклона к направлению воздушного потока (угол атаки) – уменьшает его там, где поток воздуха набегает, и увеличивает на другой стороне. В результате подъемные силы во всех частях винта уравниваются (если, конечно, не требуется искусственно создать крен, что тоже выполняется этим механизмом).
Трудно представить себе всю напряженность работы такого механизма, ведь на винте «висит» многотонная машина и винт делает сотни оборотов в минуту. Но даже автомат-перекос не может помочь, когда скорость машины сравняется с окружной скоростью винта. Тогда вторая часть винта вообще неподвижна относительно воздуха и ее подъемная сила при любом угле атаки равна нулю. Соответственно, подъемная сила в первой части винта становится чрезмерно большой. В результате вертолет может перевернуться. Именно поэтому вертолеты и не летают так быстро, как самолеты: самолетный винт вращается в плоскости, перпендикулярной скорости полета, и описанного эффекта не наблюдается.
5.6. Вопрос. Куда движется ракета, когда в ней горит топливо? А заодно, куда движется выхлоп сгоревшего топлива?
Ответ. Для корректности постановки задачи будем считать систему отсчета «абсолютной», а ракету, заправленную топливом и окислителем, до начала сгорания топлива – неподвижной. На ракету не действуют никакие внешние силы, а вокруг нее – абсолютный вакуум.
Начинается горение топлива (соединение его с окислителем) в камере сгорания 2, и газы, получаемые в результате этого, устремляются через сопло [1] наружу (рис. 30). Газы эти, безусловно, имеют массу и, получая скорость, будут обладать определенным импульсом. Так как до начала сгорания импульс неподвижной ракеты был равен нулю, а внешние силы на нее не действуют, то при горении топлива импульс всей системы тел (ракеты с горючим, окислителем и головной частью 3) тоже будет равен нулю. Часть первоначальной массы (газы, образовавшиеся при сгорании топлива) будет двигаться в одну сторону, корпус ракеты – в другую, но центр масс всей системы останется в неизменном положении.
Рис. 30. Ракета с жидкими топливом и окислителем: 1 – сопло; 2 – камера сгорания; 3 – головная часть.
Следовательно, центр масс всей системы тел – корпуса ракеты с людьми, топливом, окислителем, приборами и т. д. – при сгорании топлива никуда двигаться не будет, так как просто не сможет этого сделать без действия внешних сил, которых по условию нет. А внутренними силами центр масс системы сдвинуть невозможно!
Получается, на первый взгляд, парадоксальная ситуация – корпус ракеты (или ее головная часть) несется с огромной скоростью, а центр масс первоначальной ракеты так и не сдвинулся с места. Но тем не менее это так! Головная часть ракеты может вылететь хоть за пределы Солнечной системы, но отработавшие газы, массой намного больше этой головной части, вылетят за пределы этой же системы, но в другую сторону. А центр масс навечно останется на одном и том же месте!
А теперь о том, куда движутся отработавшие газы, в которые превратилось топливо, соединившееся с окислителем. Если вообразить себе неподвижного наблюдателя, то в начале работы ракеты он увидит, что корпус ракеты будет двигаться относительно него, допустим, вправо, а газы – влево. Потом, по мере того, как корпус достигнет скорости, большей скорости истечения газов (для химического топлива эта скорость находится в пределах 3 км/с), наблюдатель увидит, что и корпус ракеты и газы, истекающие из сопла, будут двигаться в одном направлении, в данном случае – вправо. Однако, скорость газов будет всегда меньше скорости корпуса ракеты на величину скорости истечения газов. Например, при скорости корпуса 8 км/с и скорости истечения 3 км/с, скорость движения газов в направлении движения корпуса составит 5 км/с.
Естественно, что при малых скоростях истечения, для создания большого импульса нужны большие массы топлива и еще большие – окислителя. Выгоднее отбрасывать от корпуса ракеты частицы с гораздо более высокой скоростью, чтобы при этом же значении импульса их масса была меньше. Например, протоны можно разогнать даже сравнительно низковольтными ускорителями до 10 тыс. км/с, что в тысячи раз уменьшит массу отбрасываемого вещества.
