Читать книгу "Атомы у нас дома. Удивительная наука за повседневными вещами - Крис Вудфорд"

Объемные и массивные батареи, возможно, и являются серьезным недостатком электромобилей, но эти блестящие и бесшумные транспортные средства имеют и много достоинств. Теоретически они значительно легче обычных автомобилей, потому что лишены тяжелого, чудовищного бензинового или дизельного двигателя, цилиндров с бегающими в них поршнями и стирающей металл коробки передач. На практике, однако, обнаруживается неприятный нюанс: груз тяжелых аккумуляторов. Но даже при этом электромобили легче работают, что делает их весьма эффективными.

Воспроизводство энергии

Одним из важнейших факторов, которые делают КПД автомашин на жидких углеводородах столь низким, оказывается наш обычный городской стиль езды, который предполагает частые остановки и разгоны. Как мы видели в главе 2, любая работа требует энергии. Если вы когда-либо толкали сломавшуюся машину, то должны знать, как мучительно всего лишь преодолеть ее инерцию (состояние покоя концентрированной массы) и сдвинуть ее с места. Если ваша машина весит 1,5 т и едет по городу со скоростью 65 км/ч, то она обладает солидной кинетической энергией. Произведите необходимые вычисления, и вы поймете, что эта энергия равна примерно 240 кДж и ее (согласно расчетам в той же главе) достаточно, чтобы подняться пешком на Эмпайр-стейт-билдинг.

Возможно, эти числа вас не впечатлили, но здесь есть загвоздка. Каждый раз, когда вы «бьете» по тормозам, чтобы не задавить ребенка, бросившегося за мячом, или кота, который презирает правила дорожного движения, эти 240 кДж энергии растворяются в воздухе. Когда тормозные колодки захватывают тормозные диски и машина замирает, вся эта энергия превращается в визг резины и легкий дымок. На гонках серии «Формула-1» резина спортивных машин может разогреваться до 750 °C – температуры, достаточной для того, чтобы колеса загорелись, если бы они были сделаны из дерева[62]. Когда же вы давите на педаль газа, чтобы набрать скорость после полной остановки, двигатель снова должен превратить большее количество бензина в энергию. Чудовищно расточительный цикл повторяется вновь и вновь.

Электромобили имеют здесь большое преимущество, поскольку приводятся в движение электродвигателями. В своей простейшей схеме такие двигатели имеют ротор – вращающуюся часть, которая движется внутри неподвижной, статора (иногда в качестве такового используются магниты). При включении двигателя в сеть медная обмотка ротора генерирует переменное магнитное поле, которое отталкивается от магнитного поля статора. Ротор вращается внутри статора, и мы можем использовать силу его крутящего момента в самых разных устройствах и машинах: от домашнего пылесоса до скоростного электропоезда. Замечательное свойство электродвигателей состоит в том, что вы можете «запустить» процесс и в обратном направлении. Если вы быстро прокрутите ротор электрического двигателя рукой, то добьетесь того, что электромагнитное поле, индуцируемое обмоткой, поменяет направление (таков принцип работы асинхронного двигателя). Так электродвигатель станет генератором электрической энергии. Теоретически вы можете использовать любую бытовую электротехнику, чтобы, вращая роторы двигателей, «накачивать» электроэнергию в сеть. Если вы при этом выдернете штепсель из сети, то по идее на нем должно будет появиться электромагнитное поле. Разумеется, на практике подобная схема не сработает для пылесоса. А вот для электромобиля – сработает.

Электромобили используют свои двигатели очень эффективно. Когда вы едете на машине вперед, ее толкает электрический ток, поступающий из аккумуляторов в двигатели. При нажатии на тормоз вы прекращаете подачу тока в моторы, но колеса машины по инерции продолжают вращаться. В этот момент от привода вращаются и двигатели, и они начинают «закачивать» электроэнергию в батареи. В ходе этого же процесса электромобиль приостанавливает свой ход. Таким образом, вместо того чтобы терять энергию при торможении, он использует по крайней мере какую-то часть кинетической энергии для подпитки своих аккумуляторов. В технике это называется регенеративным (рекуперативным) торможением. Оно повышает КПД обычного электромобиля на 10 % (между прочим, электропоезда таким образом могут повышать свою эффективность на 15 %, что равносильно беззатратной езде каждого седьмого электрического поезда)[63].

Как будет выглядеть идеальная машина?

Представьте себе, что вы решили сконструировать максимально эффективный автомобиль. Что может у вас получиться? Вы, видимо, выберете что-то с минимумом движущихся частей, чтобы по максимуму исключить потери энергии. В идеале машина также должна быть как можно легче, чтобы вам не пришлось затрачивать много энергии на перемещение груды металла, пластика и стекла. Она должна будет использовать топливо, которое широко распространено в природе и очень энергоемко. Возможно, что-то на основе углерода и органических веществ. Если у вас нет принципиальных возражений против небольших скоростей (порядка скромных 6 км/ч) и использования топлива вроде жиров и растительных масел, то ваша идеальная машина будет очень похожа на человеческое тело. Она не требует больших затрат на ремонт, имеет достаточно высокий КПД и не создает проблем с парковкой. Она не ржавеет, не теряет свою стоимость и в большинстве случаев стареет красиво.

Поскользнуться или удержаться на повороте?

Каждый раз, когда я вижу, как машина накреняется на повороте, а ее колеса визжат, как подростки на американских горках, я всегда удивляюсь, что она не срывается и не вылетает с дороги. Ехать на машине по прямой довольно просто. Если еще и колеса у нее отбалансированы нормально, то, по сути, она едет сама по себе. Когда же вы резко поворачиваете, наука меняет всё. Иногда мы списываем всё на вселенский заговор, который сбросил нас с дороги. На самом деле это всего лишь проявление центробежной силы, которая «тащит» машину в противоположную от поворота сторону. В принципе автомобиль, даже на высокой скорости, обычно движется по прямой. Первый закон Ньютона гласит, что объекты движутся с постоянной скоростью в заданном прямолинейном направлении, пока на них не начинает действовать какая-то сила. Когда вы поворачиваете руль машины, входя в поворот, вы прилагаете к ней силу, называемую центростремительной. Она толкает машину внутрь траектории поворота.