Журнал «Юный техник» - Юный техник, 2007 № 02
К сожалению, сведений об эксперименте Фашона и Виллепле слишком мало, а все упоминания о нем в отечественной литературе опираются лишь на единственную ставшую библиографической редкостью работу Н.А.Рынина «Суперавиация и суперартиллерия», Ленинград, 1928 г.
Однако чисто расчетным путем, оставаясь в рамках школьного курса физики, мы можем очень многое в работе орудия Фашона и Виллепле прояснить. Допустим, ствол электрического орудия имел длину два метра. Приравняв работу, совершаемую электрическими силами при разгоне снаряда, к его кинетической энергии, можно найти среднее значение силы, толкавшей снаряд. Она равна 500 Н. Разделив эту силу на массу снаряда в килограммах, получим среднее значение ускорения, равное 10 000 м/с2. Через него находим время движения снаряда в стволе — 0,02 секунды — и среднюю мощность выстрела — 50 кВт.
Могло ли такое электрическое орудие найти практическое применение? Для ответа на этот вопрос сравним его с широко распространенным в то время французским пулеметом Гочкиса калибром 13,2 мм. Его пуля имела такую же массу, как и снаряд орудия Фашона и Виллепле (50 г). Но ствол его был длиной около метра, а вспышка 16 г пороха обеспечивала пуле скорость вчетверо большую — 800 м/с. Таких пуль он мог выпустить 450 штук в минуту. Орудие, полноценно заменяющее тот же пулемет Гочкиса, должно было бы без учета всевозможных потерь потреблять мощность 375 кВт, а с ними — все 750 кВт. Такую мощность можно в принципе брать от электрической сети.
На поле боя ее нет, а автономная электростанция весила в начале прошлого века около 10 тонн. Сегодня вес ее удалось бы сократить до тонны, но пулемет Гочкиса (рис. 4) образца 1914 г. весил всего 65 кг. Поэтому о повсеместной замене обычных орудий электрическими не может быть и речи.
Однако от электрических орудий можно добиться таких высоких начальных скоростей снаряда, которые не получить от орудий традиционного типа, потому можно примириться с самыми большими трудностями.
Так, например, американцы много говорят о возможности создания полностью электрического танка. Возможно, поэтому эксперименты с рельсотронами начинают делать даже любители. Учитель В.Никитин из Анадырской средней школы предложил накопитель энергии, пригодный для различных учебных опытов с токами большой мощности (рис. 5).
Рис. 5
Источник представляет собою выпрямитель для зарядки батареи большой емкости и устройства для подключения ее к нагрузке. Подключая накопитель В.Никитина, можно очень эффектно провести опыт, показанный на рисунке 2, который по сути описывает работу рельсотрона.
Помимо орудий рельсового типа предложены электромагнитные пушки с катушками-соленоидами. Они основаны на явлении втягивания железного стержня в катушку с током.
Здесь есть одна особенность. Возрастание скорости стержня, втягиваемого катушкой, происходит только до тех пор, пока он не достигнет ее середины. Если в этот момент ток, проходящий через катушку, выключить, то стержень вылетит из нее с большой скоростью.
Укрепите катушку на штативе и вложите в нее стальной шарик. После подачи импульса от накопителя шарик вылетит из катушки и пролетит пять-шесть метров. Дальность выстрела зависит от емкости конденсаторной батареи. Увеличивать ее нет смысла, поскольку это сделает опыты опасными.
В книге полковника В.А.Внукова «Физика и оборона страны», Москва, 1942 г., описана безопасная модель соленоидной пушки (рис. 6).
Рис. 6
Это стеклянная трубка, обмотанная внавал тремя слоями изолированного провода с поперечным сечением 1 мм2. «Пушка» стреляет железными вязальными спицами. Необходимый для безопасного выстрела на расстояние 3–4 мм импульс получается за счет быстрого замыкания звонковой кнопки через последовательно соединенную с нею лампу мощностью 100–150 Вт.
Все опыты с электрическим оружием следует производить только в присутствии учителя!
А. ИЛЬИН
Рисунки автора
ФИЗИЧЕСКИЙ ЭКСПЕРИМЕНТ
Опыт Клода и Бушеро
Французского врача Жака Арсена Д'Арсонваля (1851–1940) в медицинской среде знают как изобретателя метода лечения при помощи электрических токов. Электротехникам он известен как создатель гальванометра. Знают его и энергетики. В 1881 году он предложил необычный паровой двигатель.
Вы знаете, наверное, паровой двигатель может работать, когда температура пара, выходящего из котла, выше, чем температура окружающей среды. Тогда, соприкасаясь с ней, он снова превращается в жидкость. Эту жидкость можно снова закачать в котел, превратить в пар, и так без конца…
Температура пара на входе в турбину современной электростанции — 650 °C. Отдав турбине часть своей внутренней энергии, пар попадает в конденсатор, где вновь превращается в воду. Столь высокая начальная температура в котле помогает получить высокий КПД, но вообще говоря не обязательна. Например, у огромного колесно-винтового парохода «Грейт Истерн» (1859 г.) температура пара не превышала 112 °C, как в скороварке. Это резко упрощало выбор материала и всю конструкцию двигателя. Расход топлива был по нашим понятиям огромен, но инженеры тогда даже не догадывались, что он может быть во много раз ниже.
В 1881 году Д'Арсонваль предложил заменить в паровом двигателе воду сернистым ангидридом. Он кипит при температуре 20–30 °C, а конденсируется при 4–5 °C. Более того, Д’Арсонваль догадался, что для получения температуры 20–30 °C не обязательно сжигать топливо. Такую температуру имеют сточные воды многих заводов и горячие ключи. Но есть и еще более мощный, поистине безграничный источник такого тепла — это воды тропических морей и океанов. На согреваемой солнцем поверхности их температура как раз 25–30 °C, но на глубине 1 км вода всегда холодна — плюс 4–6 °C.
Почему бы не приспособить эту разность температур для работы парового двигателя? Итак, котел согревается теплом верхних слоев океана. Кипит сернистый ангидрид, и его пары вращают турбину. Пройдя через нее, пар попадает в конденсатор. Его трубы охлаждает почти ледяная вода, поднятая с глубин. Сернистый ангидрид снова превращается в жидкость, и насос закачивает его в котел.
Для работы такому двигателю не требуется ни грамма топлива. В этом его огромная привлекательность. Но и необычность. Поэтому статья молодого ученого в научных кругах первые двадцать пять лет даже не обсуждалась. Затем о проекте стали писать, выявлять и устранять его недостатки.
На первых порах самым неприятным виделся сернистый ангидрид — агрессивная жидкость, по сути, почти серная кислота, удержать которую в пределах контура двигателя было невозможно. Не удавалось и подобрать другую легкокипящую жидкость: одни дороги, другие ядовиты, третьи огнеопасны.
И тогда два французских инженера Георг Клод и Поль Бушеро предложили применить в двигателе Д’Арсонваля самую совершенную, простую и нетоксичную жидкость — воду.
Да, каждый знает, что вода кипит при 100 градусах. Но каждый инженер знает, что вода может кипеть и при температурах, близких к нулю. Нужно лишь создать пониженное давление.
В 1926 году Клод и Бушеро продемонстрировали перед Французской академией наук двигатель, в котором иода кипела при температуре 28°C, пар вращал турбину, а от генератора горели лампочки.
Чтобы понять суть эксперимента, возьмите две колбы. В одну из них налейте теплую воду, в другую бросьте мелко наколотый лед. После этого соедините их трубкой (см. рис. 1).
Через несколько секунд вода закипит: находящиеся в воздухе пары воды сконденсируются на частицах льда, давление в колбах быстро понизится настолько, что вода начнет кипеть. Для того чтобы опыт удался, колбу с водой нужно продуть паром, чтобы удалить из нее воздух, и всю систему быстро закрыть. При температуре 28 °C, как это было в опыте, вода кипит при давлении 0,03 атм. В процессе кипения пар через трубку из колбы с водой будет перетекать в колбу со льдом. Скорость его может быть на удивление велика — 500 м/с!
А теперь взгляните на опыт Клода и Бушеро (см. рис. 2).
Рис. 2
Слева — бутыль с теплой водой. Справа — сосуд со льдом, через стенку которого проходит труба. Выходящий из нее пар устремляется на колесо паровой турбины. Турбина через ременную передачу вращает маленький генератор, от которого горят лампочки.
В одном из таких экспериментов мощность генератора кратковременно достигла 3 киловатт. На этом принципе ученые в 1928 году построили электростанцию возле бельгийского металлургического завода Угрей-Мариэй на реке Маас. Источником тепла для нее служила вода, охлаждавшая домну. Эту воду обычно сбрасывали в реку. Температура этой воды всегда была на 20 °C выше, чем в реке, но этой небольшой разности температур оказалось достаточно, чтобы кипящая при пониженном давлении вода приводила в действие турбогенератор мощностью 50 кВт.
