U и подсчитать мощность Робщ, потребляемую двигателем (Р = U∙I). Затем можно определить массу, высоту подъёма и скорость следования изделий, перемещаемых конвейером, это позволит прикинуть — полезную мощность Рпол и сам к.п.д. Коэффициент полезного действия — важная характеристика многих машин, часто решающая судьбу конкурирующих моделей и технологий. Но в то же время у этого коэффициента есть ещё, так сказать, философский смысл, он помогает оценить работающего человека, его умение спланировать своё время, силы, опыт, чтобы получить не слова, пожелания и жалобы, а полезный, нужный людям результат. Это относится также к коллективам работающих людей — к маленьким артелям и крупным предприятиям, к далеким поселкам, к большим городам и целым странам.
Т-174. Гравитационные силы работают бесплатно, но платить всё же приходится. Человек, не просто проходивший в школе физику, но и кое-что усвоивший от общения с ней, вполне может возмутиться, услышав про якобы надвигающийся на человечество энергетический голод: «Кончается нефть? Ничего страшного, в природе полно бесплатной энергии — бери сколько надо! Одни только российские ветры в год приносят 10 триллионов киловатт-часов, в тысячи раз больше, чем нужно всем нашим электростанциям для переработки в электричество. Таких источников десятки, а в запасе еще есть Е = m∙с2 — если бы мы научились полностью превращать массу в энергию, то из одного грамма получали бы 25 миллионов киловатт-часов энергии. То есть энергии, полученной из этого одного грамма массы, хватит на то, чтобы 100 лет снабжать электричеством большой стоквартирный дом.
ВК-205.Человек со временем умнеет, и этому можно только радоваться. Но какая-то бессмысленная и опасная удаль всё же остаётся в характере и иногда недопустимо проявляет себя. В том числе в безопасных на первый взгляд отношениях с электрическим током. Там, где должна быть необходимая современному человеку уважительность в его отношениях с техникой, мы (давайте в этом признаемся и повинимся) почему-то начинаем важничать и унижать её, демонстрируя глупую и никому не нужную смелость.
Р-83. КОЭФФИЦИЕНТ «КОСИНУС ФИ» ТОЖЕ ГОВОРИТ О ПОТЕРЯХ И ОТВЕЧАЕТ НА ВОПРОС «ЧТО ДЕЛАТЬ?» Этот показатель (cos φ имеет ещё одно название «коэффициент мощности» и говорит о потерях в отдельном двигателе или у целого завода. Во многих видах нагрузки можно увидеть два вида сопротивлений — это активное сопротивление R и индуктивное сопротивление XL катушек, которые всегда есть в двигателях и трансформаторах. При этом R — это не только сопротивление обмоток и соединительных линий, это главным образом отображение работы, которую выполняет двигатель, и полезная нагрузка во вторичной обмотке трансформатора. Что же касается XL, то оно, как всякое реактивное сопротивление, мощности не потребляет. Но энергия, которую получает и отдаёт катушка, проходит через Rвнт и безвозвратно что-то в нём теряет. Эти потери и отображает косинус угла φ (1), который в конечном итоге определяется токами через R и XL — чем меньше ток через XL, тем выше косинус фи (cos φ) и меньше до обидного бессмысленные потери в нагрузке из-за индуктивности обмоток (2, 3, 4). Для повышения коэффициента мощности (косинуса фи) увеличивают время полезной работы двигателей и трансформаторов, а также подключают к ним конденсаторы. У них, как известно, реактивный ток по отношению к индуктивному сдвинут по фазе на 180°, и конденсаторы поэтому могут уменьшить суммарный реактивный ток и связанные с ним потери.
Кто знает, может быть, эти фантастические пока надежды через несколько десятилетий станут работающей реальностью, подумайте о нынешнем немыслимо быстром продвижение вперёд науки и технологий. Ещё каких-то полторы сотни лет назад впервые было обнаружено, что в куске проволоки, который движется в магнитном поле, наводится электрический ток, а сегодня тысячи мощных электростанций, используя это открытие, снабжают мир электричеством — сколько надо, столько бери. Но пока ещё далеко не полностью мы используем другие доставшиеся нам источники энергии, тоже практически бесплатные.
Возьмём, к примеру, огромную работу, которую само по себе просто впустую выполняет притяжение Земли (гравитация), создавая реки и перемещая «сверху вниз» в моря и океаны миллиарды тонн воды. Она берётся с подтаивающих снеговых шапок на горных вершинах или из грозовых туч и тянется вниз, как яблоко, падающее с ветки, или выпущенный из рук камешек. Несколько тысяч лет назад мастеровые люди сообразили, что текущая в реке вода может и полезное дело делать, например, вращать тяжёлые гранитные жернова мельницы. Это изобретение и можно, видимо, считать началом гидродинамики, которая сегодня, например, вырабатывает более 17 % всей электроэнергии, производимой в нашей стране. А в таких гористых и в то же время индустриально развитых странах, как Швейцария или Норвегия, доля гидродинамики заметно больше — около 80 %. И всё это, не забудьте, без затраты топлива.
В наше время отбор энергии у движущейся воды осуществляют гидротурбины, мощные, как правило, агрегаты, чем-то напоминающие паровую турбину и так же жёстко связанные с ротором электрогенератора (Р-91). С учётом регулярного контроля за состоянием турбин, генераторов и другого оборудования ГЭС (гидроэлектростанций), с возможностью его замены либо ремонта, можно считать, что эти станции работают десятки и сотни лет. Любители эффектных вычислений, зная мощность ГЭС, могут при желании подсчитать сэкономленную ею нефть, уголь или иное топливо хотя бы за 10 лет — совершенно ясно, что цифра получится ошеломляющая.
Не нужно, однако, думать о полной бесплатности электричества, получаемого от гидроэлектростанций. Во-первых, на станции работают люди, им нужно платить зарплату, создавать нормальные условия для жизни семьи, в частности, строить жилые дома, школы, находить учителей. Ну а главное, проектирование и строительство гидроэлектростанции — дело сложное и дорогое. Для работы турбогенераторов и получения от них большой мощности необходимо высокое давление воды, а для этого в выбранном месте реки строят высокую и очень прочную плотину. Плотина фактически перегораживает реку, не даёт прибывающей из горных районов воде сразу же продолжать свой путь к морю-океану. Чаще всего высота бетонно-каменной плотины около 90 метров, и за ней, естественно, поднятая плотиной вода затопила огромные территории и образовала целое море, как его называют — «водохранилище». Чаще всего в плотину в нижней её части вмонтированы машинные залы, и в них электрогенераторы, турбины и мощные трубопроводы, которые подводят к ним воду с самого верха, с верхней отметки, до которой поднята вода (верхний бьеф). Вода, стартовавшая высоко наверху, проходит внизу через турбины и, отдав электрическим генераторам свою энергию, выходит на свой нижний уровень (нижний бьеф), с которого она продолжит свой обычный путь к морю или к океану. Чтобы читатель легче представил себе, что может стоять за этим коротким рассказом о гидроэлектростанции, приведём несколько цифр и фактов касательно новой мощной станции на реке Ангаре — Богучанской ГЭС (иногда для краткости её называют БоГЭС.
ВК-206.Этот рисунок напоминает нам о союзе химии и науки об электричестве. Он мог бы появиться в самом начале книги, так как этот союз есть исключительно важная, можно сказать, великая истина, определяющая наши знания о мире, в котором мы живём. Достаточно вспомнить, что электричество есть одна из основ устойчивости атомов и сила, собирающая их в молекулы, из которых состоят все вещества. Химия не может жить без электричества, но и его величие во многом связано с успехами химии.
Р-84. ЭНЕРГИЯ ТЕПЛА — ПЕРВЫЕ ШАГИ ГИГАНТА. Когда-нибудь об этом всё же нужно подумать — люди получают немалую реальную помощь от созданных ими машин и сооружений. Огромные подъёмные краны, 750 миллионов автомобилей, бессчётные заводы и сельскохозяйственные фермы, поезда метро, электронные схемы из двух миллиардов деталей в маленьких, с почтовую марку, чёрных корпусах, океанские лайнеры, благоустроенные квартиры с освещением, водопроводом и центральным отоплением, симфонический оркестр и лучшие голоса мира на небольшом пластмассовом диске, сотни тысяч больших самолётов. Даже не верится, что ещё пару тысяч лет назад человек имел лишь то, что мог добыть силой своих мускулов.
Энергию для нынешнего нашего индустриального могущества в основном получают от тепловых процессов, сжигая для этого ископаемое топливо — нефть, уголь, газ. Использованием этого топлива машинами, превращающими тепло в полезную работу, начали серьёзно заниматься лет триста назад. Во всяком случае первая опубликованная идея паровой машины (1) жившего в Египте греческого математика, инженера и изобретателя Герона Александрийского прождала почти две тысячи лет, чтобы превратиться в мощный тепловой двигатель — в паровую турбину. Она, кстати, уже много десятилетий работает на всех крупных тепловых электростанциях, вращает роторы больших электрогенераторов и участвует в производстве примерно 70 процентов мировой электроэнергии.
Первую работающую паровую машину после десяти лет поисков, переделок, налаживания и проверок построил в 1712 году английский кузнец Томас Ньюкомен при помощи своего друга водопроводчика Джона Коули. В главном паровом насосе давление пара поднимало поршень П1 вверх (2). Затем доступ пара в цилиндр насоса перекрывали, остатки пара конденсировались и в цилиндре оказывалось пониженное давление, как иногда говорят, частичный вакуум. При этом атмосферное давление с силой передвигало поршень П1 вниз (3), и этой силы вполне хватало, чтобы через рычаги переместить вверх поршень П2 водяного насоса и откачать снизу вверх заметную порцию воды. Через некоторое время, познакомившись с реальной работой ньюкоменовского насоса, его стали активно закупать и с его помощью даже ввели в строй ранее затопленные шахты. Но главное, этот насос был первой реально работающей паровой машиной, его создатель не просто высказал соображения в пользу пара, но и показал всем, что пар может работать.