Кинетическая энергия и как ее накопить?

Как можно накопить кинетическую энергию? Например, при раскручивании стального маховика, мы накапливаем в нем кинетическую энергию, которая является непременным атрибутом любого вращающегося тела. Она равна половине произведения момента инерции маховика на квадрат угловой скорости.

Как можно накопить кинетическую энергию?

До каких же величин можно накапливать в таком маховике кинетическую энергию? Увеличили угловую скорость в 2 раза, а энергия увеличилась в 4. Есть ли этому предел? Можно сразу сказать, что на вращение самого маховика нужно потратить некоторую энергию. Но, если же откачать воздух вокруг маховика, то потери ее сразу упадут в сотни раз – опоры или подшипники "забирают" на свое вращение совсем немного. Можно поставить вместо обычных магнитные подшипники. Тогда потери на вращение маховика будут почти устранены. Будучи разогнанным, такой маховик до его полной остановки будет вращаться месяцы, а то и годы. Чем больше маховик, тем больше он будет вращаться. Большой маховик – Земля – вращается уже около 4 миллиардов лет, и за это время замедлился лишь в 3 раза, хотя потери, по нашим меркам, колоссальные. Луна "тормозит" Землю в ее вращении приливами и отливами всех океанов, а это мощности, во много раз превышающие мощности, вырабатываемые человечеством искусственно.

Итак, увеличиваем кинетическую энергию нашего стального маховика. Но, при определенных оборотах маховик разрывается на осколки и накопить кинетическую энергию опять не получается!..

Что же помешало накопить кинетическую энергию и разогнать маховик еще? Да все та же инерция. Каждая частичка маховика стремится двигаться прямолинейно, а тут ее "заставляют" сворачивать с прямолинейного пути, да все чаще и чаще. Прочность металла маховика мешает разлету этих частиц, но когда механические напряжения становятся чрезвычайно большими, металл не выдерживает и разрывается.

Кинетической энергии при этом колесо накопило столько же, сколько ее и содержали в себе разлетающиеся со скоростью осколки. Много это или мало? Оказывается, это почти столько же, сколько у автомобильных аккумуляторов, и в десятки раз больше, чем у лучших конденсаторов. Но нужно помнить, что эта энергия накоплена в момент разрыва, который допустить нельзя! Поэтому этот показатель нужно уменьшить как минимум в 2–3 раза.

А если взять материал попрочнее стали? Да и полегче, поменьше плотностью, чтобы напряжения уменьшить? Тогда можно рассчитывать накопить большие значения кинетической энергии. Но есть ли такие материалы? Есть, и таких материалов в современной технике немало: стальная проволока, лента из аморфного металла (метгласс), волокна из углерода, кевлара, "алмазного" волокна.

Но, маховики, обычно, отливают или куют. Можно ли изготовлять их из таких волокон или лент? Оказывается, можно, и в ряде случаев это даже легче, чем отливать или ковать. Эти волокна и ленты надо навивать на центр или ступицу маховика, почти так же, как мы навиваем нитки на катушку. Только центр этот должен обладать необходимой упругостью, навивка должна происходить с определенным натягом, а последний виток должен оказаться не снаружи, а внутри навивки. И если это все выполнить, можно получить сверхэнергоемкий маховик, названный супермаховиком, который и разрываться-то будет безопасно, без осколков.

Вот как и в чем лучше всего накапливать кинетическую энергию, да и энергию вообще. Дело в том, что прогресс в деле создания сверхпрочных материалов не стоит на месте, и уже предсказано создание так называемых "плотноупакованных" материалов фантастической прочности и плотности. Маховик из таких материалов сможет, например, служить двигателем, т. е. снабжать энергией автомобиль весь срок его службы, будучи раскрученным еще на конвейере!

Инструменты