История изобретения, которое не получилось, — и что из этого вышло

Энергия, которая лежит под ногами

В обычной комнате примерно столько же тепловой энергии, сколько выделяется при сгорании нескольких стаканов бензина. Молекулы воздуха носятся со скоростью пули, сталкиваются, разлетаются — и так круглые сутки, бесплатно и без остановки.

Возникает естественная мысль: почему бы этим не воспользоваться? Поставить крошечную турбинку, и пусть молекулы её крутят.

Проблема в одном слове: хаос. Молекулы бьют по лопастям со всех сторон одинаково часто. Толчок слева, толчок справа, толчок сверху — в сумме ноль. Энергии сколько угодно, но у неё нет направления.

Значит, нужно устройство, пропускающее движение в одну сторону и не пропускающее в другую, — вроде турникета в метро или ниппеля в велосипедной камере. Такую штуку называют выпрямителем.

Идея настолько соблазнительная, что её изобретали заново примерно раз в полвека. Три самые знаменитые попытки — герои этого рассказа. Все три провалились, причём совершенно одинаково, и этот тройной провал оказался полезнее любого успеха.

Попытка первая: сторож у двери

В 1867 году великий физик Джеймс Клерк Максвелл придумал следующее. Возьмём сосуд с газом и разделим его перегородкой с маленькой дверцей. У дверцы посадим крошечное существо-сторожа.

Сторож смотрит на подлетающие молекулы. Летит быстрая — открывает дверцу и пропускает налево. Летит медленная — не пускает. Дверца невесомая, трения нет, никакой работы сторож не совершает: он только смотрит и щёлкает задвижкой.

Проходит время — и слева собираются быстрые молекулы, справа медленные. Но «быстрые молекулы» — это и есть горячий газ, а «медленные» — холодный. Половина сосуда нагрелась сама собой, и теперь между половинами можно поставить обычную тепловую машину.

Такого быть не должн…

Космический аппарат для дальних полётов за пределы Солнечной системы не несёт с собой топливо для полного изменения скорости. Он временно входит во взаимодействие с какой-либо планетой и использует её гравитационное поле для изменения траектории и скорости.

Соответствие:

• ресурсный объект — планета;

• поток или ресурс — гравитационное поле;

• преобразующий элемент — правильно выбранная траектория;

• получаемая функция — изменение скорости и направления.

Это особенно высокий уровень аналогии: физического соединения нет, связь осуществляется через гравитационное поле.

Иногда обычный инструмент слишком большой для задачи. Он не может ударить по частице размером в микрон, залезть внутрь клетки или работать прямо в крошечном канале.

Но инструмент можно создать прямо в жидкости.

Ультразвук заставляет порождать микроскопические пузырьки пара в жидкости, затем расти и… схлопываться.

Механизм этого явления, следующий:

• Зарождение. В микроскопической газовой полости или на частице возникает пузырёк.

• Рост. Из-за низкого давления жидкость испаряется внутрь него, а растворённые газы диффундируют в полость.

• Схлопывание. Давление резко возрастает, пар конденсируется, а оставшийся газ сильно сжимается.

В момент схлопывания температура и давление внутри могут кратковременно стать чрезвычайно высокими. Возможно образование активных радикалов, например -OH и -H, а при мощной ультразвуковой кавитации — кратковременно ионизированного газа, близкого к микроплазме.

Поэтому в момент схлопывания возникают мощные локальные потоки, микроструи и удары. На доли мгновения пузырёк превращается в одновременно в микро-молоток, микро-мешалку или микро-реактор.

Именно из этого вырастают основные применения акустической кавитации:

Очистить поверхность объекта (или труднодоступное место), контактирующего с жидкостью

Разбить комки частиц слипшегося вещества.

Безопасно вскрыть клетки, содержащие внутри нужное вещества, и достать содержимое

Смешать жидкости, которые в обычных условиях не смешиваются

Ускорить химическую реакцию

Быстро и полностью удалить из жидкости растворенный в ней газ.

Применение 1. Удалять загрязнения без прямого механического воздействия, в частности из труднодоступных мест.

Если для удаления загрязнений нежелательно применять механическое или химическое воздействие, или загрязнение невозможно достать, поскольку оно находится внутри отверстия, канала …

Осенний листопад - это повод поговорить с детьми об аэродинамике.

Предлагаю провести с детьми серию опытов, которые развивают наблюдательность и знакомят с базовыми физическими понятиями

Эксперимент «Падение листа: форма и сопротивление воздуха»

Спросите у ребёнка, почему один лист падает почти как камешек, а другой кружится, переворачивается и долго не приземляется? Если ребёнок ответит, что листья летят так, как им хочется, предложите провести эксперимент. Ведь у каждого листика есть свой секрет. Аэродинамический.

Описание опыта:

Соберите разные листья с разных деревьев. Пусть в наборе окажутся маленький и большой, узкий и широкий, простой и сложной формы – фигурный, с разрезами.

Затем нужно будет поднять листья на одинаковую высоту, одновременно отпустить и наблюдать за падением.

Полезно сначала предложить ребёнку сделать прогноз, как упадут листья (какой первым, какой последним), а уже потом проводить опыт. Так нарабатывается привычка исследователя: «Я думаю, что будет, а затем проверяю».

Наблюдайте:

• какой лист упал быстрее;

• какой дольше держался в воздухе;

• какой падал почти прямо;

• какой кружился, планировал или переворачивался.

Затем можно изменить форму одного и того же листа: свернуть его, сложить пополам, смять, разорвать на части — и снова проверить, как он падает.

Главная идея: воздух оказывает сопротивление движущемуся предмету.

Вопросы для развития научного мышления, которые можно задать ребёнку в процессе экспериментирования

Перед опытом:

• Как ты думаешь, какой лист упадёт быстрее? Почему?

• От чего это может зависеть?

• А если листья одинакового размера, но разной формы?

• Что будет, если один лист сложить?

Во время наблюдения:

Что происходит с листом, пока он падает?

• Он падает прямо или меняет направление?

Какой лист дольше находится в воздухе…

Хочешь забыть что-либо – плати за это.

У этого принципа необычная репутация: он выглядит как утверждение о компьютерах, а на самом деле это утверждение о забывании.

Бит — это шарик в ямке

Чтобы хранить один бит, нужна физическая система с двумя устойчивыми состояниями. Намагниченность вверх или вниз, конденсатор заряжен или разряжен, шарик лежит в левой ямке или в правой. Пока между ямками есть бугорок, шарик сидит там, куда его положили, и бит хранится.

Теперь важный вопрос: сколько стоит работа с этим битом?

Оказывается, почти все операции можно сделать почти даром. Скопировать бит, переставить, пропустить через логический элемент — если делать это медленно и аккуратно, затраты можно снижать сколько угодно. Никакого запрета природа тут не ставит.

А вот одна операция стоит денег всегда. Она называется стиранием.

Что такое стирание на самом деле

Стереть бит — это не «убрать шарик». Это команда: «положи шарик в левую ямку, независимо от того, где он был».

Вдумайтесь, что здесь происходит. До операции было два возможных положения. После — одно. Две разные ситуации превратились в одну и ту же, и различить их больше невозможно. Информация исчезла не в переносном смысле, а буквально: из состояния «после» нельзя восстановить состояние «до».

Почему за это надо платить

Вот здесь и вступает физика. Представьте, что вместо шарика в ямке у нас газ в сосуде, разделённом перегородкой пополам. Одна молекула — слева или справа, мы не знаем.

Команда «сделай так, чтобы молекула была слева» означает: сжать доступное пространство вдвое. А сжатие газа — это работа. Поршень надо толкать, и энергия, которую вы вложили, уходит в стенки сосуда теплом.

Ровно то же и с битом. Число возможностей сократилось вдвое — значит, беспорядок в памяти уменьшился. Но общий беспорядок во Вселенной уменьшат…

Можно ли охладить предмет ниже температуры окружающего воздуха, не потратив ни ватта?

Можно — если направить его радиатор мимо атмосферы, прямо в космос.

Лёд при плюсовой температуре

В XVIII веке британский офицер Роберт Баркер описал в трудах Лондонского королевского общества то, что делали в Индии задолго до него.

На открытом поле выкапывали неглубокие ямы, застилали их соломой, ставили сверху плоские пористые сосуды и наливали воду тонким слоем. Утром в них находили лёд — при том, что температура воздуха ночью не опускалась до нуля.

Персы делали то же самое в пустыне, храня зимний и «ночной» лёд в яхчалах — куполообразных ледниках с толстыми стенами.

Никакого испарительного охлаждения тут недостаточно: вода замерзала и в неподвижном влажном воздухе. Работало другое, и объяснение появилось только с термодинамикой излучения.

Вода излучала тепло в ночное небо. И небо оказалось несравнимо более холодным стоком, чем воздух над ней.

Окно, которого могло не быть

Всякое тело излучает. Тело при комнатной температуре — около трёхсот кельвинов — излучает в инфракрасном диапазоне с максимумом примерно на десяти микрометрах.

Атмосфера для инфракрасного излучения в основном непрозрачна: водяной пар и углекислый газ поглощают его почти во всём диапазоне и переизлучают обратно вниз. Именно поэтому ночью не наступает космический холод.

Но в этой непрозрачности есть щель. В интервале примерно от 8 до 13 микрометров атмосфера прозрачна — это так называемое окно прозрачности. Излучение, попавшее в него, уходит в космос, где температура фонового излучения составляет около трёх кельвинов.

Теперь соедините два факта. Окно лежит на 8–13 микрометрах. Максимум излучения тел земной температуры — около десяти. Окно приходится ровно на то место, где предметы вокруг нас излучают сильнее всего.

З…

Когда необходимо доставить крупную ажурную конструкцию через малое отверстие (или в компактной транспортной упаковке) к месту ее работы или установки возникает противоречие – конструкция большая, а пройти должна через маленькое отверстие, или храниться в малом объеме при транспортировке!

Это противоречие разрешается во времени: во время транспортировки конструкция находится в компактном состоянии, а после доставки расправляется и приобретает рабочую форму.

Эту задачу успешно решают материалы с эффектом памяти формы, например нитенолы, с помощью следующего микростандарта.

МКС. Если изделие сложной или объёмной формы необходимо доставить к месту использования через отверстие, транспортный канал или ёмкость меньшего размера, то изделие изготавливают из материала с памятью формы, на время транспортировки придают ему компактную форму, а после доставки восстанавливают рабочую форму.

Пример 1. Саморасширяющийся сосудистый стент.
Для поддержания просвета суженного кровеносного сосуда в него устанавливают стент. Саморасширяющийся нитиноловый стент представляет собой сетчатый цилиндр, который сжимают и помещают внутрь тонкого катетера.
Врач проводит катетер по кровеносному сосуду к месту сужения и отводит защитную оболочку. Освободившись, стент благодаря упругости и памяти формы самостоятельно расширяется, прижимается к стенкам сосуда и поддерживает его просвет открытым.

Пример 2. Раскрытие антенн и солнечных панелей спутника
Во время запуска антенны и солнечные панели малого спутника находятся в сложенном состоянии и прижаты к его корпусу, иначе аппарат не поместится под обтекателем ракеты или в транспортно-пусковом контейнере.
После выхода на орбиту элементы из сплава с памятью формы освобождают и разворачивают сложенные конструкции. В результате антенны и солнечные панели при…

С улицы. Мороз — это очень много тепла; просто оно плохого качества.

Минус восемнадцать — это тепло

Слово «холод» сбивает с толку, потому что в физике его нет. Есть только тепло и его отсутствие, а отсчитывается тепло не от нуля по Цельсию, а от абсолютного нуля — от минус двухсот семидесяти трёх.

Значит, воздух при минус восемнадцати имеет температуру 255 кельвинов. Это на девяносто с лишним процентов пути от абсолютного нуля до комнатной температуры. В кубометре такого воздуха, в промёрзшем грунте, в ледяной реке содержится колоссальное количество тепловой энергии.

Проблема не в её количестве, а в качестве: температура источника ниже, чем нужна нам. Тепло само собой течёт только от горячего к холодному, и из уличного воздуха оно в дом не пойдёт.

Задача, таким образом, формулируется не как «где взять тепло» — оно вокруг, бесплатно и в неограниченном количестве, — а как «как поднять его температуру».

Не произвести, а перенести

Обычный котёл или электрический обогреватель производят тепло, сжигая топливо или расходуя электричество на сопротивлении. Тепловой насос не производит ничего. Он переносит уже имеющееся тепло с улицы в дом, а электричество тратит на перекачку.

Аналогия, давшая устройству имя, точная: водяной насос не создаёт воду, он поднимает её. Затраты на подъём зависят не от количества воды, а от высоты.

Здесь и находится главный ход, и он относится к постановке задачи. Пока задача звучит как «получить тепло», решения ищутся среди источников: топливо, электричество, солнце. Стоит переформулировать её как «переместить тепло из места, где его много и оно не нужно», — и решение оказывается совсем в другой области.

«КПД четыреста процентов»

Отсюда цифра, которая всех смущает: современный тепловой насос отдаёт три-четыре единицы тепла на каждую единицу израсходов…

Потому что важна не скорость, а то, насколько быстро растёт площадь поперечного сечения поезда. И носитель решения нашёлся на пруду.

Выстрел из туннеля

Когда поезд на скорости около трёхсот километров в час влетает в туннель, он работает как поршень в трубе. Перед ним возникает волна сжатия, которая бежит по туннелю со скоростью звука, по дороге становится всё круче — и на выходе выплёскивается наружу низкочастотным хлопком.

Звук этот слышен за четыреста метров от портала, и сопровождается ощутимой вибрацией. В Японии, где скоростные поезда проходят через плотно заселённые районы, для жилой застройки установлен предел в 70 децибел, и туннельный хлопок в него не укладывался.

Обратите внимание, что произошло с задачей. Ограничение скорости пришло не от техники и не от физики движения: поезд может двигаться быстрее. Ограничение пришло из надсистемы — от людей, живущих рядом с выходом из туннеля, и от нормы, которую они установили. Разработчики прямо отказались от испытаний на скоростях выше 350 км/ч именно по этой причине.

Что именно порождает хлопок

Разберём механизм.

Волна сжатия возникает потому, что поезд, входя в туннель, вытесняет воздух. Но сила этой волны зависит не от скорости самой по себе, а от того, как быстро нарастает площадь поперечного сечения поезда в сечении туннеля. Тупой нос перекрывает туннель почти мгновенно — воздух получает резкий удар. Длинный и плавный нос увеличивает сечение постепенно — то же количество воздуха вытесняется, но растянуто во времени, и фронт волны не успевает стать крутым.

Отсюда точная постановка: уменьшить надо не воздействие, а его производную. Импульс нельзя убрать — воздух всё равно придётся вытеснить, — но его можно размазать во времени.

Исследования показали, что идеальным был бы нос в виде клина или тела вращения с парабо…

На этот вопрос нельзя ответить, пока не сказано, что значит «замерзает» и что значит «быстрее». В этом вся история.

Мальчик, мороженое и «физика Мпембы»

В 1963 году танзанийский школьник Эрасто Мпемба готовил на уроке домоводства мороженое. По правилам горячую молочную смесь полагалось остудить перед тем, как ставить в морозильник, но места в нём было мало, и Мпемба поставил свою порцию горячей. Она застыла раньше, чем у одноклассников.

Учитель физики объяснил ученику, что тот что-то перепутал, и стал называть его рассуждения «физикой Мпембы» — в классе это звучало смешно. Мальчик, однако, не отступился и задал тот же вопрос заезжему университетскому профессору Денису Осборну. Осборн, к его чести, не отмахнулся, а попросил лаборанта проверить. Проверка что-то показала, и в 1969 году в журнале Physics Education вышла статья с лаконичным названием «Cool?» за подписью школьника и профессора.

Так у явления появилось имя. Заметим сразу: наблюдение старше самого Мпембы на две тысячи лет. Аристотель писал, что желающие быстро охладить воду сперва выставляют её на солнце; о том же упоминали Бэкон и Декарт.

Дальше произошло странное. За следующие полвека вышли десятки работ, тысячи школьников повторили опыт, а вопрос — правда ли это — так и не получил ответа. Разберём почему: это и есть самое полезное в истории.

Что именно утверждается

Первая трудность возникает раньше любого эксперимента. Слово «замёрзла» имеет как минимум четыре разных смысла:

вода остыла до нуля градусов;

в ней появился первый кристаллик льда;

она промёрзла насквозь;

сосуд примёрз к полке и лёд перестал двигаться.

Между этими событиями лежат минуты и десятки минут, а порядок их наступления зависит от переохлаждения, которое случайно. Пока не выбран один из четырёх смыслов, утверждение «замерзает быстрее» про…

Можно, если заставить вещество кипеть.

Шестьсот градусов против трёх

Возьмём медный пруток диаметром 6 мм и длиной 30 см. Медь — один из лучших проводников тепла в технике: около 400 Вт/(м·К). Подведём к одному концу 25 ватт — мощность небольшого паяльника — а другой будем охлаждать. Какая разница температур установится между концами?

Расчёт даёт около 600 °C. Лучший практический проводник тепла на такой длине и таком сечении работает откровенно плохо: чтобы протолкнуть через него жалкие 25 ватт, нужен раскалённый конец.

Теперь возьмём трубку тех же размеров. Внутри — вакуум, несколько граммов воды и тонкий пористый слой на стенках. Ни насоса, ни вентилятора, ни проводов, ни единой подвижной детали. Перепад температур при тех же 25 ваттах — около 3 °C.

Двести раз. Эффективная теплопроводность такой трубки — порядка 80 000 Вт/(м·К), а в отдельных конструкциях говорят и о 100 000. Пустая трубка с каплей воды проводит тепло в сотни раз лучше сплошной меди.

Это устройство называется тепловая труба. Оно стоит в вашем ноутбуке, в базовых станциях сотовой связи, на спутниках — и держит вечную мерзлоту под Трансаляскинским нефтепроводом.

Что внутри пустой трубки

Устройство обманчиво просто. Герметичный корпус, из которого откачан воздух. Немного жидкости — ровно столько, чтобы смочить стенки. И фитиль: спечённый порошок, сетка или канавки на внутренней стенке.

Дальше начинается цикл, который никто не запускает:

Горячий конец (испаритель) нагревается — жидкость испаряется, забирая теплоту парообразования.

В зоне испарения давление пара чуть выше, чем в холодной. Разница крошечная, но в вакууме пар летит по трубе почти без сопротивления.

На холодном конце (конденсаторе) пар конденсируется и отдаёт скрытую теплоту наружу.

Жидкость возвращается обратно — по фитилю, капиллярными си…

Можно. Сигналом будет струя воздуха, а памятью — то, к какой стенке она прилипла.

Струя, которая помнит

Возьмите плоскую камеру с соплом посередине и двумя выходными каналами. Пустите через сопло струю воздуха.

Струя не пойдёт посередине. Она прилипнет к одной из боковых стенок — к какой именно, решит случайность. Это эффект Коанда: струя увлекает воздух с боков, у ближней стенки давление падает, и струю прижимает к ней. Прижавшись, она остаётся там сколь угодно долго.

Теперь подайте сбоку слабый управляющий импульс. Струя оторвётся от стенки, перекинется на противоположную — и останется на ней после того, как управляющий сигнал исчезнет.

Вот и всё. Перед вами триггер: два устойчивых состояния, переключение слабым сигналом, сохранение состояния без питания управляющей цепи. Подвижных частей — ноль. Из деталей — только полости, отфрезерованные в пластине.

Память здесь хранится не в положении детали, а в состоянии процесса.

Из чего собирается вся логика

На этом принципе строится полный набор элементов.

Усилитель. Слабая управляющая струя отклоняет мощную силовую. Коэффициент усиления по мощности доходит до ста.

Логические элементы. Отклонение струи между выходами даёт «И», «ИЛИ», «НЕ» — в зависимости от того, как соединены каналы.

Триггер и счётчик. Бистабильный элемент, описанный выше, плюс цепочка таких же.

Генератор. Заведите часть выходного потока обратно на управляющий вход через канал определённой длины — струя начнёт перекидываться сама. Частота задаётся длиной канала обратной связи, то есть временем пробега сигнала.

Дальше — счётчики, регистры, аналоговые сумматоры, датчики. В 1960-е из этих кубиков собирали целые системы управления и всерьёз обсуждали струйные вычислительные машины.

Из мыла, линолеума и дерева

Начало положил Билли Хортон в 1957 году в Лаборатори…

Можно, если заменить поршень звуком.

Возьмите закрытую трубу с гелием под давлением в десятки атмосфер. Внутри поставьте динамик и пакет тонких пластин с зазором в треть миллиметра. Включите звук — низкий, мощный, стоячую волну.

Один край пакета пластин начнёт остывать. Через несколько минут разница температур между краями достигнет десятков градусов.

Ни компрессора, ни поршня, ни клапанов, ни хладагента. Из подвижных деталей — только мембрана динамика. А в вариантах, о которых пойдёт речь ниже, нет и её.

Уровень звука внутри трубы такой, что в открытом воздухе он был бы смертельным — за сто семьдесят децибел. Но труба закрыта, и снаружи слышно негромкое гудение.

Устройство называется термоакустическим холодильником, и работает оно на явлении, которое обычно считают побочным.

Почему звук — это температура

Звук — это бегущие по газу сгущения и разрежения. А сжатие газа его нагревает, расширение — охлаждает. Значит, в звуковой волне вместе с давлением колеблется и температура.

В обычной обстановке эти колебания составляют тысячные доли градуса, и о них никто не вспоминает. Но амплитуда растёт с квадратом давления, и при уровнях, доступных в закрытом резонаторе, колебания температуры измеряются уже градусами.

Дальше нужен только эффективный способ этим воспользоваться.

Пожарная цепочка

Способ такой. В трубу вставляется стек — пакет пластин или пористая структура, вдоль которой стоит твёрдая стенка.

Рассмотрим маленькую порцию газа рядом с пластиной. Волна сдвигает её на долю миллиметра в одну сторону и одновременно сжимает — порция нагревается и отдаёт немного тепла стенке в новом месте. Через полпериода волна возвращает порцию назад и расширяет — теперь порция холоднее стенки и забирает у неё тепло.

Итог одного цикла: порция газа перенесла крошечную порцию тепла на длину…

Основным фактором, ограничивающим дальность и продолжительность полета беспилотника является заряд его аккумулятора. Предлагаются различные решения, например, сделать аккумулятор из нескольких блоков и сбрасывать их по мере разрядки для облегчения беспилотника. Другим перспективным решением является зарядка аккумулятора беспилотника от воздушных линий электропередачи. Такие экспериментальные системы уже созданы и испытаны.

Наиболее реалистичная схема

Беспилотник не подключается к двум проводам, как обычный электроприбор. Он:

подвешивается на один провод;

охватывает провод разъёмным магнитопроводом;

превращает провод ЛЭП в первичную обмотку трансформатора;

снимает энергию с переменного магнитного поля;

выпрямляет ток и заряжает аккумулятор.

Фактически захват беспилотника является разъёмным трансформатором тока. Электрического контакта с токоведущей жилой не требуется: энергия передаётся индуктивно через изоляцию провода. Мощность определяется главным образом током в линии, формой магнитопровода и качеством его замыкания, а не только высоким напряжением линии.

Реальные результаты

В 2024 году исследователи Университета Южной Дании продемонстрировали автономный мультикоптер, который самостоятельно находил провод, садился на него, заряжался и продолжал полёт. В испытаниях он многократно повторял цикл «полёт — посадка — зарядка — взлёт» в течение нескольких часов.

Почему лучше садиться, а не заряжаться в полёте

Простого приближения к проводу обычно недостаточно: магнитное поле быстро ослабевает с расстоянием. Для заметной мощности желательно полностью охватить провод магнитопроводом.

Кроме того, при подвеске на проводе линии электропередачи:

двигатели беспилотника выключаются;

беспилотник не расходует энергию на удержание в воздухе;

линия одновременно служит источником энерг…

Можно, если вы Никола Тесла.

Обратный клапан — одна из самых массовых деталей в технике. Устроен он просто: поток двигает шарик, тарелку или лепесток. Туда — открылся, обратно — сел на седло и закрыл проход.

Просто, понятно и очень дорого обходится. Каждая подвижная деталь тянет за собой длинный список расплат: она изнашивается, может заклинить, требует точного изготовления и уплотнений, увеличивает размеры и стоимость, а главное — ограничивает скорость срабатывания. Клапану нужно время: обнаружить смену направления, сдвинуть запирающий элемент, посадить его на место.

Отсюда дерзкий вопрос: а можно ли сделать клапан, в котором запирающего элемента нет вообще?

Оказывается, можно. В феврале 1916 года Никола Тесла подал заявку, а 3 февраля 1920 года получил патент США № 1 329 559 на устройство под названием valvular conduit — вентильный, или клапанный, канал. Ни шариков, ни пружин, ни заслонок, ни мембран. Только форма канала.

Гидравлический диод

Внутри канал выглядит странно: череда карманов, дугообразных обходных петель, разделителей струи и камер, где потоки снова сходятся. Симметрии нет ни в чём.

В разрешённом направлении основная часть жидкости идёт почти напрямик. Что-то заходит в боковые ответвления, но возвращается в главный канал сравнительно плавно. Потери есть, но небольшие.

В обратном направлении та же геометрия работает совсем иначе. Поток разделяется, часть его уходит в обходную петлю, разворачивается и возвращается навстречу основной струе. Дальше начинается: столкновение струй, вихри, интенсивное перемешивание, зоны торможения, многократные повороты — и, как следствие, резко возросшие гидравлические потери.

Тесла в патенте описал это точно: в «запертом» направлении жидкость разворачивается на 180 градусов дважды за секцию, тогда как в прямом — отклоняется…

Почему фузор Фарнсуорта–Хирша так и не стал домашней электростанцией. Разбор методами ТРИЗ

Мечта, которая почти сбылась

Вакуумная камера. Внутри — небольшая проволочная сетка. Баллон с дейтерием, источник высокого напряжения, вакуумный насос. Несколько доступных деталей, стол в подвале — и внутри установки начинается термоядерный синтез. Детектор считает нейтроны, а нейтроны врать не умеют: ядра дейтерия действительно сливаются.

Это не фантастика и не рекламный трюк. Такие аппараты строят университетские лаборатории, инженеры-любители и школьники. В 2008 году четырнадцатилетний Тейлор Уилсон собрал фузор в подвале физического факультета Университета Невады и стал самым молодым человеком, добившимся термоядерного синтеза.

Устройство называется фузор Фарнсуорта–Хирша. Придумал его Фило Фарнсуорт — тот самый инженер, которому мир обязан электронным телевидением; конструкцию довёл Роберт Хирш в конце 1960-х. Работали они над ней в компании ITT и целили именно в энергетику: предполагалось, что из этой схемы вырастет компактный термоядерный реактор. Не выросло. Разобраться, почему, полезнее, чем просто зафиксировать факт.

Три условия, из которых выполнено одно

Чтобы термоядерная установка отдавала больше энергии, чем потребляет, мало разогнать частицы. Нужно выполнить три условия сразу: топливо должно быть достаточно горячим, чтобы ядра преодолевали взаимное отталкивание; достаточно плотным, чтобы столкновений было много; и удерживаться достаточно долго, чтобы выигрыш успел накопиться раньше, чем энергия утечёт наружу. Вокруг произведения этих трёх величин крутится вся термоядерная энергетика.

Приложим эту тройку к фузору.

Температура — выполнено, причём с запасом. Ион, разогнанный десятками киловольт, по энергии эквивалентен веществу, нагретому до сотен миллионов градусов. …

Что удерживает крыло стрекозы от флаттера?

Тёмное пятнышко у конца крыла весом меньше миллиграмма.

Пятно, которое все видели

Посмотрите на крыло стрекозы. Ближе к вершине, у самой передней кромки, есть небольшое тёмное утолщение — прямоугольная ячейка, заметно плотнее и тяжелее соседних.

Называется она птеростигма. Есть у стрекоз, у пчёл и ос, у сетчатокрылых, у сеноедов, у полужесткокрылых — то есть в пяти разных отрядах насекомых.

Её видели все, кто когда-либо рассматривал крыло насекомого. Что она делает, объяснили только в 1972 году.

Что такое флаттер

Сначала о том, с чем птеростигма борется.

У всякого крыла есть две степени свободы: оно может изгибаться вверх-вниз и закручиваться вокруг продольной оси. Аэродинамика связывает эти движения: изгиб меняет угол атаки, изменение угла атаки меняет подъёмную силу, та меняет изгиб.

Если связь получается «правильного» знака, колебания затухают. Если «неправильного» — каждое колебание подкачивает энергию в следующее, и амплитуда растёт сама. Это флаттер: не резонанс с внешней силой, а самовозбуждение с отрицательным демпфированием.

Знак связи определяется взаимным положением двух линий: оси кручения и линии центров масс сечения. Если центр масс лежит позади оси кручения, крыло склонно к флаттеру; чем дальше позади, тем ниже критическая скорость.

Птеростигма не гасит колебания — она не даёт им возникнуть, сдвигая центр масс вперёд и меняя знак связи между изгибом и кручением. Энергия нигде не рассеивается, потому что нечего рассеивать.

То же самое в авиации

Приём в технике известен и обязателен.

На рулях и элеронах самолётов ставят балансировочные грузы — массы, вынесенные вперёд от оси навески. Задача та же: сдвинуть центр масс поверхности к оси вращения или вперёд неё, чтобы исключить связь колебаний конструкции с отклонени…

Идея, которая кажется гениальной

«Автомобили в любом случае давят на дорогу. Встроим в покрытие пьезоэлементы и получим бесплатную электроэнергию для уличных фонарей. Расход топлива у машин при этом не изменится».

Звучит безупречно: энергия будто валяется под колёсами, надо лишь наклониться и подобрать. Первая половина утверждения — чистая правда: пьезоэлектрические устройства, преобразующие деформацию покрытия дороги в электричество, существуют, их исследуют десятки лабораторий, а первые опытные участки уложены ещё в 2008 году.

Фейком является ровно одно слово — «бесплатная». Разберём, откуда берётся иллюзия, инструментами ТРИЗ: ресурсный вопрос, функция расплаты, границы системы, физическое противоречие. Заодно получится универсальный детектор энергетических фейков — их в сети гораздо больше одного.

Первый вопрос любого разбора: кто платит?

В ТРИЗ есть простой и очень неудобный для фантазёров вопрос: какой объект совершает работу?

Пьезоэлемент энергию не создаёт. Он преобразует механическую работу деформации в электрическую. Значит, у деформации есть автор. Выстроим цепочку целиком:

топливо или тяговая батарея → двигатель → колесо → деформация дороги → пьезоэлемент → электричество → фонарь.

Источник стоит в самом начале, и это не дорога. Это химическая энергия топлива, либо заряд аккумулятора, либо потенциальная энергия автомобиля на спуске, либо его кинетическая энергия при торможении.

Пьезоэлектрическая дорога — не источник, а преобразователь. Ровно как шестерёнка или трансформатор: она может передать энергию, изменить её форму, но не может её добавить.

Сила — это ещё не энергия

Здесь прячется главная логическая ловушка, на которую попадаются почти все.

Работа равна произведению силы на перемещение точки её приложения:

На жёстком покрытии автомобиль давит с силой…